Как преобразовать постоянный ток в переменный | Electrotechnical Laboratory

Сегодня я хочу ответить на вопрос одного из моих подписчиков. Как преобразовать постоянный ток переменный?

Когда мы преобразовываем из переменного в постоянный мы используем выпрямитель, Для преобразования постоянного тока в переменный применяют специальные электронные силовые устройства, называемые инверторами. Чаще всего инвертор преобразует постоянное напряжение одной величины в переменное напряжение другой величины.

Таким образом, инвертор — это генератор периодически изменяющегося напряжения, при этом форма напряжения может быть синусоидальной, приближенной к синусоидальной или импульсной. Инверторы применяют как в качестве самостоятельных устройств, так и в составе систем бесперебойного электроснабжения (UPS).

Коротко я расскажу принцип работы полупроводникового инвертора на примере этой схемы где в качестве ключей стоят полевые транзисторы которые правляются широтноимпульсным модулятором

Примерная схема полупроводникового инвертора

Примерная схема полупроводникового инвертора

Как правило широтно-импульсная модуляция (ШИМ) дает сигналы прямоугольной формы, или другими словами это называется, меандр.  Транзисторы работают в паре. Первый полупериод 1 и 4 транзистор. Второй полупериод 2 и 3.

Схема протекания тока в первый полупериод

Схема протекания тока в первый полупериод

Схема протекания тока во второй полупериод

Схема протекания тока во второй полупериод

Дело в том, что прямоугольный импульс имеет высшие гармонические составляющие частот, что не подходит для большинства потребительских нагрузок, поэтому бытовые инверторы имеют на выходе фильтр высоких гармони. Основная задача этих фильтров, привести сигнал напряжения, как можно ближе к синусоиде. Это достигается правильной работой ШИМ модулятора, которая при управлении транзисторами, один из них постоянно открыт на полупериоде, а второй регулирует напряжение на нагрузке, за счет скважности импульса и емкостного и индуктивного накопителя электрической энергии. Чистая синусоида, содержит только одну гармонику, первую, которая чаще всего нужна. Сейчас найти и купить хороший инвертор не составляет труда.

Схема работы каждого из транзисторов на схеме

Схема работы каждого из транзисторов на схеме

Осциллограмма протекания тока через транзисторы

Осциллограмма протекания тока через транзисторы

Схема протекания тока в каждый период с учетом фильтров

Схема протекания тока в каждый период с учетом фильтров

Работа одного из транзистора в схеме.

Работа одного из транзистора в схеме.

Если Вам интересен такой материал, Вы можете подписаться на мой канал, если у Вас есть какие вопросы, задавайте в комментариях, я постараюсь ответить всем, если Вам всё понравилось, то поставьте этой статье лайк.

Всем спасибо за то что дочитали эту статью до конца.

Как преобразовать переменный ток в постоянный?

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением, а устройства – выпрямителями. Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.

Как работает преобразователь переменного тока в постоянный?

Преобразователь переменного тока в постоянный — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в постоянный. Это устройство нелинейное, поэтому спектр напряжения на его выходе отличается от входного. … Это действие часто называется «сглаживанием» выходного напряжения. Поэтому такой фильтр называется сглаживающим.

Как называется устройство преобразующее постоянный ток в переменный?

Определение слова инвертор в словарях

Устройство для преобразования постоянного электрического тока в переменный. Устройство для преобразования сигнала одного значения в сигнал другого, противоположного значения (в электронике).

Какой узел генератора преобразует переменный ток в постоянный?

Постоянный ток подводится с помощью щёток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

Как происходит преобразование постоянного тока в переменный?

Инве́ртор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. … Инверторы напряжения могут применяться в виде отдельного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры электрической энергией переменного тока.

Что меняет переменный ток на постоянный?

Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением, а устройства – выпрямителями. Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении.

Какое устройство позволяет выполнить переменное напряжение?

Типичным представителем преобразователя напряжения также является трансформатор. Он преобразует переменное напряжение одного значения в переменное напряжение другого значения. Данное свойство трансформатора широко применяется в радиоэлектронике и электротехнике.

Как называется устройство преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения?

устройство, преобразующее переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

Чем отличается переменный и постоянный ток?

Переменный ток, в отличие от тока постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени.

Как называют устройство обеспечивающее нужный электродвигателю входной ток?

Преобразователь частоты¹⁾ — устройство для изменения частоты электрического напряжения (тока).

Какая деталь генератора преобразует трехфазный переменный ток в постоянный?

Для того чтобы генератор переменного тока был способен заряжать батарею и обеспечивать питание других компонентов транспортного средства, требуется преобразовать переменный тик (alternating current — АС) в постоянный (direct current — DC). Самый подходящий электронный компонент для этой задачи — кремниевый диод.

Какой ток выдает генератор переменный или постоянный?

Кратко принцип работы автомобильного генератора таков:

Магнитное поле воздействует на обмотки статора, что приводит к появлению электрического переменного тока. Далее переменный ток отправляется на выпрямительный блок, где происходит его преобразование в постоянный ток.

Где применяются синхронные генераторы?

[Гц] связана с частотой вращения ротора где — число пар полюсов. Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трёхфазным выпрямителям — на тепловозах (например, ТЭП70, 2ТЭ116), автомобилях, летательных аппаратах.

Как перевести мощность постоянного тока в переменный?

Формула для расчёта: P = I*U, где I — сила тока, а U — напряжение.

Что производит завод инвертор?

Продукция

• Системы бесперебойного питания …
• Агрегаты бесперебойного питания …
• Системы оперативного постоянного тока …
• Транзисторный выпрямитель

Как сделать из переменного тока 220в постоянный 220в?

Более распространенным и правильным способом получения постоянного тока и напряжения 220 вольт является использование так называемого выпрямительного моста, состоящего из 4 диодов. В этом случае мы на выходе получим оба полупериода, которые имеют один и тот же полюс.

Преобразователь 230 В переменного тока в 5 В постоянного тока, без потерь

В электронике нет такой вещи, как «без потерь», и нет ни одной микросхемы, предназначенной для того, чтобы делать то, что вы хотите. Но вот несколько разных идей поставок. Поскольку вы не указали текущее потребление или эффективность, давайте рассмотрим три различных подхода:

Эффективность 5% или меньше

Встраиваемые таймеры на основе микроконтроллеров обычно используют неизолирующие источники питания, например:

R1 существенно уменьшает разницу между стабилитроном и потенциалом сети переменного тока, поэтому он не будет эффективен ни для чего, кроме легких нагрузок. Кроме того, ваша нагрузка не может резко измениться, так как резистор должен быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечить достаточный ток для стабилитрона, чтобы заставить его обратить лавину, не обеспечивая слишком большой ток. Если ваша нагрузка начинает тянуть слишком большой ток, ее напряжение упадет. Если ваша нагрузка не дает достаточного тока, стабилитрон может быть поврежден.

Pros

• Очень маленький
• Очень дешевый
• Отлично подходит для очень легких нагрузок (MCU + коммутационное устройство)

Cons

• Нет изоляции
• Ток нагрузки не гибкий; должны быть исправлены в маленьком окне

Эффективность 20-75%

Вы всегда можете использовать трансформатор (60: 1 или около того), мостовой выпрямитель и линейный регулятор, например:

Это вводит громоздкий, дорогостоящий трансформатор в конструкцию, но он более эффективен, чем предыдущий, и ваша нагрузка может сильно варьироваться.

Pros

• Самый простой в реализации
• Предназначен для средних токовых нагрузок — например, радиочасов.
• Полная изоляция
• Относительно недорогой

Cons

• объемистый
• Довольно неэффективно

Эффективность 75-95%

Наиболее эффективным (и наиболее сложным) является коммутатор переменного / постоянного тока. Они работают по принципу: сначала нужно преобразовать переменный ток в постоянный, а затем переключать постоянный ток на очень высоких частотах, чтобы оптимально использовать характеристики трансформатора, а также минимизировать размер (и потери) сети фильтров на вторичной обмотке. Power Integrations создает интегральную микросхему, которая выполняет все функции управления / обратной связи / управления — все, что вам нужно, это добавить трансформатор и оптоизоляторы. Вот пример дизайна:

Как вы можете видеть, напряжение сети переменного тока немедленно выпрямляется и фильтруется для получения постоянного напряжения высокого напряжения. Устройство Power Integrations быстро переключает это напряжение на первичной стороне трансформатора. Высокочастотный переменный ток виден на вторичном, выпрямленном и отфильтрованном. Вы заметите, что значения компонентов довольно малы, даже с учетом текущего использования. Это связано с тем, что высокочастотный переменный ток требует гораздо меньших компонентов для фильтрации, чем переменный ток с линейной частотой. Большинство этих устройств имеют специальные режимы ультранизкого энергопотребления, которые работают довольно хорошо.

Эти преобразователи, как правило, обеспечивают большую эффективность и могут также служить источником мощных нагрузок. Такого рода расходные материалы вы видите во всем, от крошечных зарядных устройств для мобильных телефонов до блоков питания для ноутбуков и настольных компьютеров.

Pros

• Чрезвычайно Эффективный
• Полная изоляция
• Высокий выходной ток: может достаточно легко получить более 50 А постоянного тока низкого напряжения.
• Маленький размер

Cons

• Большая спецификация (спецификация)
• Сложно дизайн
• Требуется продуманное расположение печатных плат
• Обычно требуется индивидуальный дизайн трансформатора
• Дорогие

Как перевести переменное напряжение в постоянное. Как из постоянного тока сделать переменный?

Преобразователь переменного тока в постоянный — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в постоянный. Это устройство нелинейное, поэтому спектр напряжения на его выходе отличается от входного. В иностранной литературе подобные устройства называются преобразователями AC/DC (переменный/постоянный ток). На рисунке 1 приведено условно-графическое обозначение преобразователя AC/DC. На его входе и выходе приведены осциллограммы и спектрограммы напряжения.

Рисунок 1. Условно-графическое обозначение выпрямителя

В состав преобразователя переменного напряжения в постоянное входят как выпрямитель, так и фильтр, подавляющий нежелательные составляющие выходного напряжения. Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя, выделить только постоянную составляющую U 0 (полезный эффект выпрямления) и подавить все остальные составляющие спектра напряжения U d (пульсации). Это действие часто называется «сглаживанием» выходного напряжения. Поэтому такой фильтр называется сглаживающим. Его выполняют в виде ФНЧ (обычно LC-фильтра) с полосой пропускания Δ

f f c .

Если выпрямитель, входящий в состав преобразователя AC/DC, в процессе работы использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным или однополупериодным, а если обе полуволны — то двухтактным или двухполупериодным. На рисунке 2 приведена упрощенная схема однотактного преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Рисунок 2. Эквивалентная схема однотактного преобразователя переменного тока в постоянный

На данном рисунке ключ К синхронно с частотой источника U1 подключает нагрузку к источнику. На нагрузке получается пульсирующее напряжение с частотой

ω c . За период частоты входного колебания через нагрузку и источник проходит только один импульс тока. Частота первой гармоники тока (и напряжения пульсаций на нагрузке) равна частоте сети ω c . Постоянная составляющая тока нагрузки в данной схеме протекает через источник входного напряжения. Если в его составе присутствует трансформатор, то это приведет к его подмагничиванию и ухудшению массогабаритных параметров. Если напряжениесети на входе однополупериодного выпрямителя гармоническое U 1 = U m sinω c t , то временные диаграммы напряжения на входе и выходе данной схемы будут выглядеть так, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на входе и выходе однополупериодного преобразователя

Как видно из данного рисунка уровень постоянной составляющей тока на выходе схемы однотактного преобразователя AC/DC достаточно мал. Поэтому чаще применяется двухтактная схема. Схема двухтактного преобразователя переменного напряжения в постоянное приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Эквивалентная схема двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный

В данной схеме ключи К1 и К2 подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период. Поэтому за период изменения напряжения сети через нагрузку и источник проходят два импульса тока, причем благодаря переключению ток через нагрузку протекает в одном направлении. Постоянная составляющая тока нагрузки не протекает через первичный источник и не влияет на его работу. Частота импульсов тока и напряжения на нагрузке

U H в два раза выше частоты сети ω c , что позволяет уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Все перечисленные факторы позволяет значительно улучшить массу и габариты преобразователя переменного тока в постоянный. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный приведены на рисунке 5.

Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухполупериодного преобразователя

В качестве ключей в схемах преобразователей переменного тока в постоянный используются неуправляемые и управляемые вентили, в качестве которых используются диоды, тиристоры, биполярные и полевые транзисторы. Наиболее широко применяются неуправляемые вентили, в качестве которых используются мощные полупроводниковые диоды.

Следует отметить, что современные AC/DC преобразователи строятся по более сложной схеме. В них сначала производится выпрямление и фильтрация входного колебания, затем генерация высокой частоты, напряжение которой трансформируется в нужное на выходе, а затем снова выпрямление и фильтрация всех нежелательных спектральных составляющих. Это позволяет значительно уменьшить габариты преобразователя и повысить его к.п.д. Часто они выполняются в виде малогабаритного неразъемного блока.

Рисунок 6. Внешний вид AC/DC преобразователя

Литература:

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Вместе со статьей «Преобразование переменного тока в постоянный» читают:

http://сайт/BP/Ventil/

Использование в повседневной жизни различных электрических приборов и устройств, работающих благодаря электроэнергии, обязывает нас иметь минимальные познания в области электротехники. Это знания, которые сохраняют нам жизнь. Ответы на вопросы о том, как из постоянного тока сделать переменный, какое напряжение должно быть в квартире и какой современный человек должен знать, чтобы избежать поражения и гибели от него.

Способы получения электричества

Сегодня невозможно представить свою жизнь без электроэнергии. Ежедневно все население нашей планеты использует миллионы ватт электричества для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Но очередной раз, включая электрочайник, человек не задумывается о том, какой путь пришлось проделать электричеству, чтобы он смог заварить себе утреннюю чашку ароматного кофе.

Существует несколько способов получения электричества:

• из тепловой энергии;
• из энергии воды;
• из атомной (ядерной) энергии;
• из ветровой энергии;
• из солнечной энергии и др.

Для того чтобы понять природу возникновения электрической энергии, рассмотрим несколько примеров.

Электричество из энергии ветра

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Самый простой способ его получения — энергия природных сил.

В данном примере от энергии ветра. Природный феномен дующего с различной силой ветра люди научились использовать давно. Укрощает ветер простой ветряк, оборудованный приводом и соединённый с генератором. Генератор и вырабатывает электрическую энергию.

Излишки тока при постоянном использовании ветряка можно накапливать в аккумуляторных батареях. Выработанный постоянный экологически чистый ток в быту и производстве не применяется.

Полученный и преобразованный в переменный ток, он идет для бытового использования. Накопленные излишки электричества хранятся в аккумуляторных батареях. При отсутствии ветра запасы электричества, хранящиеся в аккумуляторах, преобразуются и поступают на нужды человека.

Электроэнергия из воды

К большому сожалению, этот вид природной энергии, дающий возможность получать электричество, не везде имеется. Рассмотрим способ получения электричества там, где воды много.

Простейшая ГЭС, сделанная из дерева по принципу мельницы, размер которой порядка 1,5 метров, способна обеспечить электричеством, используемым и на отопление, частное подсобное хозяйство. Такую бесплотинную ГЭС сделал русский изобретатель, уроженец Алтая — Николай Ленев. Он создал ГЭС, перенести которую могут два взрослых мужчины. Все дальнейшие действия аналогичны получению электричества от ветряка.

Вырабатывают электричество и крупные электростанции и гидростанции. Для промышленного получения электричества применяют огромные котлы, дающие пар. Температура пара достигает 800 градусов, а давление в трубопроводе поднимается до 200 атмосфер. Этот перегретый пар с высокой температурой и огромным давлением поступает на турбину, которая начинает вращаться и вырабатывать ток.

То же самое происходит и на гидроэлектростанциях. Только здесь вращение происходит за счёт больших скорости и объема воды, падающей с огромной высоты.

Обозначение тока и применение его в быту

Постоянный ток обозначается DC. На английском языке пишется как Direct Current. Он в процессе работы со временем не меняет своих свойств и направления. Частота постоянного тока равна нулю. Обозначают его на чертежах и оборудовании прямой короткой горизонтальной черточкой или двумя параллельными черточками, одна из которых пунктирная.

Используется постоянный ток в привычных нам аккумуляторах и батарейках, используемых в огромном числе различного типа устройств, таких как:

• счетные машинки;
• детские игрушки;
• слуховые аппараты;
• прочие механизмы.

Все ежедневно пользуются мобильным телефоном. Зарядка его происходит через блок питания, компактный преобразователь DC/AC, включаемый в бытовую розетку.

Электрические приборы потребляют переменный однофазный ток. Электроприборы заработают только с подключением трансформатора и Многие производители устанавливают преобразователь DC/AC непосредственно в сам агрегат. Это намного упрощает эксплуатацию электрооборудования.

Как из постоянного тока сделать переменный?

Выше говорилось, что все аккумуляторы, батарейки для фонариков, пультов телевизоров имеют постоянный ток. Чтобы преобразовать ток, существует современное устройство под названием инвертор, он с легкостью из постоянного тока сделает переменный. Рассмотрим, как это применимо в повседневности.

Бывает, что во время нахождения в автомашине человеку необходимо срочно распечатать на ксероксе документ. Ксерокс имеется, машина работает и, включив в прикуриватель переходник на инвертор, он может подключить к нему ксерокс и распечатать документы. Схема преобразователя достаточно сложна, особенно для людей, которые имеют отдаленное понятие о работе электричества. Поэтому в целях безопасности лучше не пытаться самостоятельно соорудить инвертор.

Переменный ток и его свойства

Протекая, переменный ток в течение одной секунды меняет направление и величину 50 раз. Изменение движения тока — это его частота. Обозначается частота в герцах.

У нас частота тока 50 герц. Во многих странах, например США, частота равна 60 герц. Также бывает трёхфазный и однофазный переменный ток.

Для бытовых нужд приходит электричество, равное 220 вольтам. Это действующее значение переменного тока. Но амплитуда тока максимального значения будет больше на корень из двух. Что в итоге даст 311 вольт. То есть фактическое напряжение бытовой сети составляет 311 вольт. Для изменения постоянного тока на переменный применяются трансформаторы, в которых используются различные схемы преобразователей.

Передача тока по высоковольтным линиям

Все электрические наружные сети несут по своим проводам переменный ток различного напряжения. Оно может колебаться от 330000 вольт до 380 вольт. Передача осуществляется только переменным током. Данный способ транспортировки — самый простой и дешёвый. Как из переменного тока сделать постоянный, давно известно. Поставив трансформатор в нужном месте, получим необходимое напряжение и силу тока.

Схемы преобразователей

Самая простая схема решения вопроса о том, как из постоянного тока сделать переменный 220 В, не существует. Это может сделать диодный мост. Схема преобразователя DC/AC имеет в своём составе четыре мощных диода. Мост, собранный из них, создает движение тока в одном направлении. Мостик срезает верхние границы переменных синусоид. Диоды собираются последовательно.

Вторая схема преобразователя переменного тока — это на выход с моста, собранного из диодов, конденсатора или фильтра, который сгладит и исправит провалы между пиками синусоид.

Отлично преобразует постоянный ток в переменный инвертор. Схема его сложна. Используемые детали не из дешевого порядка. Потому и цена на инвертор немаленькая.

Какой электрический ток опаснее — постоянный или переменный?

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся на работе и в быту с электроприборами, подключенными в розетки. Ток, бегущий от электрического щита до розетки, однофазный переменный. Происходят случаи поражения электрическим током. Меры безопасности и знания о поражении током необходимы.

В чем принципиальная разница между попаданием под напряжение переменным током и постоянным? Имеется статистика, что переменный DC однофазный ток в пять раз опаснее постоянного AC тока. Поражение током, вне зависимости от его типа, само по себе отрицательный факт.

Последствия от поражения током

Небрежность в обращении с электроприборами может, мягко говоря, негативно сказаться на здоровье человека. Поэтому не стоит экспериментировать с электричеством, если на то нет специальных навыков.

Действие тока на человека зависит от нескольких факторов:

• сопротивления тела самого потерпевшего;
• напряжения, под которое попал человек.
• от силы тока на момент контакта человека с электричеством.

С учетом всего перечисленного можно сказать, что действие переменного тока намного опаснее, чем постоянного. Имеются данные экспериментов, подтверждающие факт, что для получения равного результата при поражении сила постоянного тока должна быть в четыре — пять раз выше, чем переменного.

Сама природа переменного тока отрицательно сказывается на работе сердца. При поражении током происходит непроизвольное сокращение сердечных желудочков. Это может привести к его остановке. Особенно опасно соприкосновение с оголенными жилами людям, имеющим сердечный стимулятор.

У постоянного тока частота отсутствует. Но высокие напряжение и сила тока могут привести также к летальному исходу. Выйти из под контакта с постоянным электрическим током проще, чем из-под контакта с переменным.

Этот небольшой обзор природы электрического тока, его преобразования должен быть полезен людям, далеким от электричества. Минимальные познания в области происхождения и работы электроэнергии помогут понять суть работы обычных бытовых приборов, которые так необходимы для комфортной и спокойной жизни.

Все Вы наверное задавались вопросом: «А как получить постоянное напряжение из переменного?» Ну что ж, пора думаю раскрыть эту тайну:-) , хотя это тайной и не назовешь. В этой статье я покажу основы, а какое напряжение получить — это уже решать вам. Оказывается, на деле все это гораздо проще, чем кажется.

Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под «постоянным напряжением». Как гласит нам Википедия, постоянный напряжение (он же и постоянный ток) — это такой ток, параметры,свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю. Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации . А вот собственно и осциллограмма постоянного напряжения:

Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).

Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор . А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение , мы с Вами после трансформатора подключали Диодный мост . На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.

Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения

получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?

Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:

В этой схеме используется важное свойство кондера: заряжаться и разряжаться. Весь прикол состоит в том, что кондер с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осцилле, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.

Давайте же рассмотрим на практике, почему нам нужно ставить кондер большой емкости. На фото ниже у нас три кондера. Все разной емкости.

Рассмотрим первый кондер. Замеряем его номинал с помощью нашего LC — метр . Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.

Цепляем его к диодному мосту по схеме выше

И снимаем показания с кондера осцилом.

А вот и осциллограмма с кондера.

Неееее… это осциллограмма не постоянного тока. Пульсации все равно остались.

Ну что ж, возьмем кондер емкостью побольше.

Замеряем его емкость. Получается 0,226 микроФарад.

Цепляем к диодному мосту также, как и первый кондер снимаем показания с него.

А вот собственно и осциллограма.

Не… почти, но все равно не то.

Берем наш третий кондер. Его емкость 330 микроФарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.

Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.

А вот собственно и она

Ну вот. Совсем ведь другое дело!

Итак, сделаем небольшие выводы:

Чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие.

Чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. В этом случае лучше всего использовать трехвыводные стабилизаторы напряжения , которые выдают чистейшее постоянное напряжение.

Давайте вернемся к нашему вопросу в начале статьи. Как все таки получить на выходе постоянный ток 12 Вольт, скажем для каких-нибудь безделушек? Сначала нужно подобрать транс, чтобы на выходе он выдавал… 12 Вольт? А вот и не угадали! Со вторичной обмотки транса мы будем получать действующее напряжение .

где

U Д — действующее напряжение

U max — максимальное напряжение

Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе транса должно быть 12/1,41=8,5 Вольт. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансе, мы должны убавлять или добавлять обмотки транса. Формула . Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из того, что мы собираемся питать и какое напряжение и сила тока должны проходить через диоды. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем кондер с большой емкостью. Кондер подбираем исходя из того, чтобы напряжение на нем не превышало то, которое написано на его маркировке. Простейший источник постоянного напряжения готов к использованию!

Кстати, у меня получился 17 Вольтовый источник постоянного напряжения, так как у транса на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).

Ну и напоследок, чтобы лучше запоминалось;-)

Читаем в обязательном порядке этой статьи.

1.3. Преобразование переменного тока

в постоянный и постоянного в переменный

Электроэнергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами, т. е. генераторами переменного тока, который удобно преобразовывать трансформаторами и передавать на большие расстояния. Между тем имеется ряд технологических процессов, требующих постоянного тока: электролиз, зарядка аккумуляторов и т. д. Поэтому часто возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный и обратно.

Широко распространенные в начале XX в. электромашинные преобразователи (одноякорные преобразователи и мотор-генераторные установки) уступили свое место более компактным и бесшумным полупроводниковым выпрямителям. Благодаря высоким

Рис. 1.12. Двухтактный однофазный выпрямитель

эксплуатационным показателям и малым габаритам полупроводниковых выпрямителей появилась тенденция к замене генераторов постоянного тока синхронными генераторами, имеющими на выходе полупроводниковый выпрямитель. Таким образом, появились новые классы машин — трансформаторов и синхронных,- постоянно работающих с выпрямителями. Однако работа электрической машины на выпрямитель имеет особенности, которые надо учитывать при проектировании этих машин и анализе процессов, происходящих в них.

Преобразование переменного тока в постоянный производится с помощью полупроводниковых вентилей, имеющих одностороннюю проводимость. На рис. 1.12 и 1.13 показаны наиболее распространенные схемы выпрямителей: однофазного (рис. 1.12, а) и трехфазного (рис. 1.13, а) и кривые напряжений и токов (рис. 1.12,5. в, рис. 1.13,6, в соответственно). Через полупроводниковые вентили (диоды) ток может проходить только тогда, когда положительный потенциал приложен к аноду (в направлении вершины треугольника на рис.-грузке весьма значительны, а частота переменной составляющей в 2 раза выше частоты переменного тока (рис. 1.12, б). При трехфазном мостовом выпрямлении схема получается шеститактной и пульсации напряжения невелики — менее 6% от постоянной составляющей (рис. 1.13, б).

Ток в цепи нагрузки обычно сглажен сильнее, чем напряжение, так как цепь нагрузки часто содержит индуктивность, представляющую большое сопротивление для переменной составляющей тока и малое — для постоянной.

Если считать ток в нагрузке /в), содержащий высшие гармоники, повышающие нагрев обмоток. Кроме того, при использовании схем выпрямления с нулевой точкой имеется постоянная составляющая тока в обмотках (рис. 1.12,6). Из-за этого резко возрастает действующее значение тока и нужно принимать меры против создания постоянного подмагничивания стержня. Для предотвращения этого явления, например, в однофазных трансформаторах применяют либо броневую конструкцию (рис. 1.14), либо на каждом стержне располагают все обмотки трансформатора, деля их пополам.

Большое влияние на работу выпрямителя (рис. 1.15, о) оказывает коммутация тока — процесс перехода с одного вентиля на другой.

Из-за наличия индуктивностей в токопроводящей цепи и индуктивности, обусловленной потоками рассеяния трансформатора, ток с одного вентиля переходит на другой не мгновенно, а за период коммутации Г к, которому соответствует угол коммутации у (рис. 1.15, б).

Для простоты предположим, что ток в нагрузке Id идеально сглажен. Тогда сумма токов через первый и второй вентили i a \ и iai в процессе коммутации неизменна:

Рис. 1.14. Схематический чертеж броневого трансформатора

В момент начала коммутации, когда значение ЭДС проходит через нуль и меняет знак, обмотка трансформатора становится замкнутой накоротко и для ее контура можно написать уравнение

Во время коммутации напряжение на нагрузке СЛг=0,5(е 2а + +е 2 ь) и в однофазном выпрямителе равно нулю (рис. 1.15, б). Следовательно, из-за коммутации уменьшается выпрямленное напряжение и увеличивается его пульсация. Поскольку угол коммутации у тем больше, чем больше ток нагрузки I d и индуктивное сопротивление х а, для повышения качества выпрямителя желательно, чтобы питающая его машина имела небольшое индуктивное сопротивление. В трансформаторе х а равно индуктивному сопротивлению, обусловленному потоками рассеяния, и определяется из опыта короткого замыкания В синхронном генераторе

где Ха» и x q » — сверхпереходные индуктивности по продольной и поперечной осям соответственно, учитывающие наличие тока в демпферной обмотке.

Таким образом, синхронные генераторы, предназначенные для работы на выпрямитель, должны быть рассчитаны на работу с несинусоидальным током и иметь демпферную обмотку.

Коэффициент мощности генератора, работающего на нерегулируемый выпрямитель,

Рис. 1.16. Схема однофазного инвертора

где v«0,9 — коэффициент искажения; >ф«0,5у- угол сдвига тока относительно первой гармоники напряжения.

Преобразование постоянного тока в переменный производится с помощью инверторов, в которых используются управляемые вентили: транзисторы, тиристоры и др.

Схема однофазного инвертора представлена на рис. 1.16. Включение вентилей инвертора производится поочередно каждый полупериод таким образом, чтобы направление тока во вторичной обмотке трансформатора было противоположно направлению ЭДС в этой обмотке, т. е. чтобы энергия передавалась от источника постоянного тока в сеть переменного тока.

Инверторы имеют сравнительно сложную систему автоматического управления, что ведет к повышению их стоимости и уменьшению надежности по сравнению с неуправляемыми выпрямителями.

Кроме того, в инверторе возможно появление режима сквозного горения, когда ток в обмотке совпадает по фазе с ее ЭДС. Такой режим возможен либо при неисправности в системе управления, либо при слишком большом угле коммутации. При сквозном горении обычно ток возрастает до недопустимого значения и обычно полупроводниковые вентили выходят из строя. Большое число элементов в системе управления и возможность аварийного режима сквозного горения делают надежность инверторов значительно ниже, чем у неуправляемых выпрямителей: наработка на отказ уменьшается в 50… 100 раз.

Перспективна идея питания от инверторов асинхронных и синхронных двигателей. Изменяя частоту включения вентилей, можно менять частоту напряжения на выводах статора двигателя и тем самым экономично (без сопротивлений) регулировать угловую скорость. Такой способ регулирования скорости называется частотным. Однако низкая надежность систем с инверторами — преобразователями частоты препятствует их широкому применению.

В настоящее время частотное регулирование скорости применяется только в особых условиях, где не могут работать двигатели постоянного тока, погруженные в жидкость: двигатели судов, нефтепроводов, двигатели шаровых мельниц и т. д.

Рис. 1.17. Устройство машины постоянного тока

Имеются экспериментальные образцы с частотным регулированием в крановом и тяговом электрооборудовании.

В машине постоянного тока имеется своеобразный преобразователь- коллектор, который в генераторном режиме является выпрямителем, а в двигательном — преобразователем частоты.

Конструкция машины постоянного тока сходна с конструкцией обращенной синхронной машины, у которой обмотка якоря находится на роторе, а магнитные полюсы неподвижны. При вращении якоря (ротора) в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направленная так, как это показано на поперечном разрезе рис. 1.17, а.

В проводниках, расположенных по одну сторону линии симметрии, разделяющей полюсы, ЭДС направлена всегда в одну сторону, независимо от угловой скорости. При вращении одни проводники уходят под другой полюс, на их место приходят другие проводники, а в пространстве, под полюсом одной полярности, картина почти неподвижна, только одни проводники сменяются другими. Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки.

Постоянная ЭДС получается с помощью скользящего контакта между обмоткой и внешней электрической цепью.

Проводники соединяются в витки с шагом ушт, как в машинах переменного тока, а затем витки соединяются последовательно один за другим, образуется замкнутая обмотка.

В половине обмотки (в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой — противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.17, б). По контуру обмотки ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит.

Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали.

Для улучшения контакта щетки выполняются в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирается из медных пластин, изолированных друг от друга.

В крупных машинах начало и конец каждого витка присоединяются к коллекторным пластинам; в малых машинах пластин

меньше, чем витков, и поэтому между двумя пластинами припаивается часть обмотки из нескольких витков — секция.

Под нагрузкой через проводники якоря проходит ток, направление которого определяется направлением ЭДС.

В связи с тем что ток нагрузки постоянен, в витках обмотки якоря ток имеет форму, близкую к прямоугольной (рис. 1.18, а).

При переходе витка из одной параллельной ветви в другую он замыкается накоротко щеткой на время, называемое периодом коммутации (рис. 1.18, б)

T K =bJv KOn , (1.66)

где Ь щ — ширина щетки; и К ол — линейная скорость точки, находящейся на поверхности коллектора.

В простейшем случае, когда щетка уже коллекторной пластины, для секции, замкнутой щеткой (рис. 1.18,0),

Рис. 1.18. Диаграммы токов при коммутации

где iiRi=AUi и i 2 R2=AU 2 — падение напряжения в щеточном контакте соответственно с первой и второй коллекторной пластинами; R c — активное сопротивление секции; L pe3 — результирующая индуктивность секции; е к — ЭДС от внешнего поля. Пренебрегая iR c ввиду малости R c , получим

Полученное основное уравнение коммутации (1.68) совпадает с уравнением коммутации в выпрямителе (1.рез, откуда

Это условие безыскровой коммутации сводится к тому, чтобы во всех режимах угол коммутации у был неизменен:

y=*T K =2vJ>JD a v Koll =2b»jD a , (1.71)

где D a — диаметр якоря; v a — линейная скорость точки, находящейся на поверхности якоря; Ь»щ=ЬщО а /О КО л — ширина щетки, приведенная к диаметру якоря.

Для выполнения этого условия ЭДС в зоне коммутации ЭДС е к создается специальными добавочными полюсами, обмотка которых включена последовательно в цепь якоря, а их магнитная цепь делается ненасыщенной.

Процесс коммутации в выпрямителях, инверторах и в машинах постоянного тока сходен. И в том и в другом случаях процесс изменения тока в период коммутации определяется значением и формой ЭДС в короткозамкнутом контуре. Поэтому нельзя уподоблять коллектор механическому выпрямителю, как это иногда делается .

Наличие коллектора вносит и свои особенности: усложняется конструкция машины и более дорогой становится эксплуатация. Однако эти недостатки электрических машин искупаются их основным преимуществом: в двигательном режиме случайные нарушения коммутации обычно приводят к небольшому подгару коллектора и щеток, а не к аварийному режиму опрокидывания, как в инверторах.

Вследствие этого надежность коллекторной машины постоянного тока значительно выше надежности системы «асинхронный двигатель- преобразователь частоты», ее КПД на 3…5% выше, машина значительно дешевле, имеет меньшие габариты и массу.

Эти преимущества и заставляют отдавать предпочтение машине постоянного тока, ограничивая применение асинхронного двигателя с частотным регулированием узкими рамками специфических устройств (двигатели, работающие в жидкости, и т. д.).

Электрический ток протекает в различных средах: металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. При этом он может быть постоянным или переменным. В статье рассмотрим отдельно постоянный и переменный ток, а также преобразование переменного тока в постоянный.

Постоянный ток и его источники

У постоянного тока величина и направление не изменяются с течением времени. На современных приборах он обозначается буквами DC — сокращением от английского Direct Current (в дословном переводе – прямой ток). Его графическое обозначение:

Источниками постоянного тока являются батарейки и аккумуляторы. На нем работают все полупроводниковые электронные устройства: мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры, спутниковые системы. Для питания этих устройств от сети переменного тока в их входят блоки питания. Они понижают напряжение сети до нужной величины и преобразуют переменный ток в постоянный. Зарядные устройства для аккумуляторов тоже питаются от сети переменного тока и выполняют те же функции, что и блоки питания.

Переменный ток и его параметры

У переменного тока направление и величина циклически изменяются во времени. Цикл одного полного изменения (колебания) называется периодом (T) , а обратная ему величина – частотой (f) . Буквенное обозначение переменного тока – АС , сокращение от Alternating Current (знакопеременный ток), а графически он обозначается отрезком синусоиды:

̴

После этого знака указывается напряжение, иногда – частота и количество фаз.

Переменный ток характеризуется параметрами:

Характеристика	Обозначение	Единица измерения	Описание
Число фаз			Однофазный
			Трехфазный
Напряжение	U	вольт	Мгновенное значение
			Амплитудное значение
			Действующее значение
			Фазное
			Линейное
Период	Т	секунда	Время одного полного колебания
Частота	f	герц	Число колебаний за 1 секунду

Однофазный ток в чистом виде получается при помощи бензиновых и дизельных генераторов. В остальных случаях он – часть трехфазного, представляющего собой три изменяющихся по синусоидальному закону напряжения, равномерно сдвинутых друг относительно друга. Этот сдвиг по времени называется углом сдвига фаз и составляет 1/3Т.

Для передачи трехфазных напряжений используют четыре провода. Один является их общей точкой и называется нулевым (N), а три остальные называются фазами (L1, L2, L3) .

Напряжение между фазами называется линейным , а между фазой и нулем – фазным , оно меньше линейного в √3 раз. В нашей сети фазное напряжение равно 220 В, а линейное – 380 В.

Под мгновенным значением напряжения переменного тока понимают его величину в определенный момент времени t. Она изменяется с частотой f. Мгновенное значение напряжения в точке максимума называется амплитудным значением. Но не его измеряют вольтметры и мультиметры. Они показывают величину, в √2 раз меньшую, называемую действующим или эффективным значением напряжения . Физически это означает, что напряжение постоянного тока этой величины совершит такую же работу, как и измеряемое переменное напряжение.

Достоинства и недостатки переменного напряжения

Так почему же для энергоснабжения выбрали переменный ток, а не постоянный?

При передаче электроэнергии ток проходит по проводам, длиной сотни километров, нагревая их и рассеивая в воздухе энергию. Это неизбежно как для постоянного, так и для переменного токов. Но мощность потерь зависит только от сопротивления проводов и тока в них:

Мощность, которую передается по линии, равна:

Отсюда следует, что при увеличении напряжения для передачи той же мощности нужен меньший ток, и мощность потерь при этом уменьшается. Вот поэтому протяженных ЛЭП напряжение повышают. Есть линии на 6кВ, 10кВ, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 500кВ, 750кВ и даже 1150кВ.

Но в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю напряжение нужно неоднократно изменять. Проще это сделать на переменном токе, используя трансформаторы.

Недостатки переменного тока проявляются при передаче энергии по кабельным линиям. Кабели имеют емкостное сопротивление между фазами и относительно земли, а емкость проводит переменный ток. Появляется утечка, нагревающая изоляцию и выводящая со временем ее из строя.

Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением , а устройства – выпрямителями . Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод , проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.

Затем пульсации устраняют при помощи фильтров , простейшим из них является конденсатор . Полностью пульсации устранить невозможно, а их конечный уровень зависит от схемы выпрямителя и качества фильтра. Сложность и стоимость выпрямителей зависит от величины пульсаций на выходе и от максимальной мощности на выходе.

Для преобразования в переменный ток используются инверторы . Принцип их работы состоит в генерации переменного напряжения с формой, максимально приближенной к синусоидальной. Пример такого устройства – автомобильный инвертор для подключения к бортовой сети бытовых приборов или инструмента.

Чем качественнее и дороже инвертор, тем больше его мощность или точнее выдаваемое им напряжение приближается к синусоиде.

Конвертер электрического тока • Электротехника • Полный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Общие сведения

И. К. Айвазовский. Чесменский бой

Современному комфорту нашей жизни мы обязаны именно электрическому току. Он освещает наши жилища, генерируя излучение в видимом диапазоне световых волн, готовит и подогревает пищу в разнообразных устройствах вроде электроплиток, микроволновых печей, тостеров, избавляя нас от необходимости поиска топлива для костра. Благодаря ему мы быстро перемещаемся в горизонтальной плоскости в электричках, метро и поездах, перемещаемся в вертикальной плоскости на эскалаторах и в кабинах лифтов. Теплу и комфорту в наших жилищах мы обязаны именно электрическому току, который течёт в кондиционерах, вентиляторах и электрообогревателях. Разнообразные электрические машины, приводимые в действие электрическим током, облегчают наш труд, как в быту, так и на производстве. Воистину мы живём в электрическом веке, поскольку именно благодаря электрическому току работают наши компьютеры и смартфоны, Интернет и телевидение, и другие умные электронные устройства. Недаром человечество столько усилий прилагает для выработки электричества на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях — электричество само по себе является самой удобной формой энергии.

Как бы это парадоксально не звучало, но идеи практического использования электрического тока одними из первых взяла на вооружение самая консервативная часть общества — флотские офицеры. Понятно, пробиться наверх в этой закрытой касте было сложным делом, трудно было доказать адмиралам, начинавшим юнгами на парусном флоте, необходимость перехода на цельнометаллические корабли с паровыми двигателями, поэтому младшие офицеры всегда делали ставку на нововведения. Именно успех применения брандеров во время русско-турецкой войны в 1770 году, решившими исход сражения в Чесменской бухте, поставил вопрос о защите портов не только береговыми батареями, но и более современными на тот день средствами защиты — минными заграждениями.

Корабельная радиостанция. 1910 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Разработка подводных мин различных систем велась с начала 19-го века, наиболее удачными конструкциями стали автономные мины, приводимые в действие электричеством. В 70-х гг. 19-го века немецким физиком Генрихом Герцем было изобретено устройство для электрической детонации якорных мин с глубиной постановки до 40 м. Её модификации знакомы нам по историческим фильмам на военно-морскую тематику — это печально известная «рогатая» мина, в которой свинцовый «рог», содержащий ампулу, наполненную электролитом, сминался при контакте с корпусом судна, в результате чего начинала работать простейшая батарея, энергии которой было достаточно для детонации мины.

Радиостанция компании Гудзонова залива. Около 1937 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Моряки первыми оценили потенциал тогда ещё несовершенных мощных источников света — модификаций свечей Яблочкова, у которых источником света служила электрическая дуга и светящийся раскалённый положительный угольный электрод — для использования в целях сигнализации и освещения поля боя. Использование прожекторов давало подавляющее преимущество стороне, применивших их в ночных сражениях или просто использующих их как средство сигнализации для передачи информации и координации действий морских соединений. А оснащённые мощными прожекторами маяки упрощали навигацию в прибрежных опасных водах.

Электронная вакуумная лампа, ок. 1921 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Не удивительно, что именно флот принял на ура способы беспроводной передачи информации — моряков не смущали большие размеры первых радиостанций, поскольку помещения кораблей позволяли разместить столь совершенные, хотя на тот момент и весьма громоздкие, устройства связи.

Электрические машины помогали упростить заряжание корабельных пушек, а электрические силовые агрегаты поворота орудийных башен повышали маневренность нанесения пушечных ударов. Команды, передаваемые по корабельному телеграфу, повышали оперативность взаимодействия всей команды, что давало немалое преимущество в боевых столкновениях.

Самым ужасающим применением электрического тока в истории флота было использование рейдерских дизель-электрических подлодок класса U Третьим Рейхом. Субмарины «Волчьей стаи» Гитлера потопили много судов транспортного флота союзников — достаточно вспомнить о печальной судьбе конвоя PQ-17.

Радиопередатчик из Дрюммонвилля, Квебек, ок. 1926. Канадский музей науки и техники, Оттава

Британским морякам удалось добыть несколько экземпляров шифровальных машин «Энигма» (Загадка), а британская разведка успешно расшифровала её код. Один из выдающихся ученых, который над этим работал — Алан Тьюринг, известный своим вкладом в основы информатики. Получив доступ к радиодепешам адмирала Дёница, союзный флот и береговая авиация смогли загнать «Волчью стаю» обратно к берегам Норвегии, Германии и Дании, поэтому операции с применением подлодок с 1943 года были ограничены краткосрочными рейдами.

Телеграфный ключ, ок. 1915. Канадский музей науки и техники, Оттава

Гитлер планировал оснастить свои подлодки ракетами Фау-2 для атак на восточное побережье США. К счастью, стремительные атаки союзников на Западном и Восточном фронтах не позволили этим планам осуществиться.

Современный флот немыслим без авианосцев и атомных подводных лодок, энергонезависимость которых обеспечивается атомными реакторами, удачно сочетающими в себе технологии 19-го века пара, технологии 20-го века электричества, и атомные технологии 21-го века. Реакторы атомоходов генерируют электрический ток в количестве, достаточном для обеспечения жизнедеятельности целого города.

Помимо этого, моряки вновь обратили своё внимание на электричество и апробируют применение рельсотронов — электрических пушек для стрельбы кинетическими снарядами, имеющими огромную разрушительную силу.

Джеймс Клерк Максвелл. Скульптура Александра Штоддарта. Фото Ад Мескенс. Wikimedia Commons.

Историческая справка

С появлением надёжных электрохимических источников постоянного тока, разработанных итальянским физиком Алессандро Вольта, целая плеяда замечательных учёных из разных стран занялись исследованием явлений, связанных с электрическим током, и разработкой его практического применения во многих областях науки и техники. Достаточно вспомнить немецкого учёного Георга Ома, сформулировавшего закон протекания тока для элементарной электрической цепи; немецкого физика Густава Роберта Кирхгофа, разработавшего методы расчёта сложных электрических цепей; французского физика Андре Мари Ампера, открывшего закон взаимодействия для постоянных электрических токов. Работы английского физика Джеймса Прескотта Джоуля и российского учёного Эмиля Христиановича Ленца, привели, независимо друг от друга, к открытию закона количественной оценки теплового действия электрического тока.

Портрет Хендрика Антона Лоренца (1916 г.) кисти Менсо Камерлинг-Оннеса (1860–1925)

Дальнейшим развитием исследования свойств электрического тока были работы британского физика Джеймса Кларка Максвелла, заложившего основы современной электродинамики, которые ныне известны как уравнения Максвелла. Также Максвелл разработал электромагнитную теорию света, предсказав многие явления (электромагнитные волны, давление электромагнитного излучения). Позднее немецкий учёный Генрих Рудольф Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн; его работы по исследованию отражения, интерференции, дифракции и поляризации электромагнитных волн легли в основу создания радио.

Жан-Батист Био (1774–1862)

Работы французских физиков Жана-Батиста Био и Феликса Савара, экспериментально открывшими проявления магнетизма при протекании постоянного тока, и замечательного французского математика Пьера-Симона Лапласа, обобщившего их результаты в виде математической закономерности, впервые связали две стороны одного явления, положив начало электромагнетизму. Эстафету от этих учёных принял гениальный британский физик Майкл Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции и положивший начало современной электротехнике.

Огромный вклад в объяснение природы электрического тока внёс нидерландский физик-теоретик Хендрик Антон Лоренц, создавший классическую электронную теорию и получивший выражение для силы, действующей на движущийся заряд со стороны электромагнитного поля.

Электрический ток. Определения

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. В силу этого ток определяется как количество зарядов, прошедшее через сечение проводника в единицу времени:

I = q / t где q — заряд в кулонах, t — время в секундах, I — ток в амперах

Другое определение электрического тока связано со свойствами проводников и описывается законом Ома:

I = U/R где U — напряжение в вольтах, R — сопротивление в омах, I — ток в амперах

Электрический ток измеряется в амперах (А) и его десятичных кратных и дольных единицах — наноамперах (миллиардная доля ампера, нА), микроамперах (миллионная доля ампера, мкА), миллиамперах (тысячная доля ампера, мА), килоамперах (тысячах ампер, кА) и мегаамперах (миллионах ампер, МА).

Размерность тока в системе СИ определяется как

[А] = [Кл] / [сек]

Особенности протекания электрического тока в различных средах. Физика явлений

Алюминий — прекрасный проводник и поэтому широко используется для изготовления электрических кабелей

Электрический ток в твердых телах: металлах, полупроводниках и диэлектриках

При рассмотрении вопроса протекания электрического тока надо учитывать наличие различных носителей тока — элементарных зарядов — характерных для данного физического состояния вещества. Само по себе вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным. Уникальным примером таких состояний, наблюдаемых в обычных условиях, могут служить состояния дигидрогена монооксида, или, иначе, гидроксида водорода, а попросту — обыкновенной воды. Мы наблюдаем её твердую фазу, доставая кусочки льда из морозильника для охлаждения напитков, основой для большей части которых является вода в жидком состоянии. А при заварке чая или растворимого кофе мы заливаем его кипятком, причём готовность последнего контролируется появлением тумана, состоящего из капелек воды, которая конденсируется в холодном воздухе из газообразного водяного пара, выходящего из носика чайника.

Существует также четвёртое состояние вещества, называемое плазмой, из которой состоят верхние слои звёзд, ионосфера Земли, пламя, электрическая дуга и вещество в люминесцентных лампах. Высокотемпературная плазма с трудом воспроизводится в условиях земных лабораторий, поскольку требует очень высоких температур — более 1 000 000 K.

Эти высоковольтные воздушные коммутаторы содержат две основные детали: рубильник и изолятор, который устанавливаются в разрыв провода

С точки зрения структуры твёрдые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. Кристаллические вещества имеют упорядоченную геометрическую структуру; атомы или молекулы такого вещества образуют своеобразные объёмные или плоские решётки; к кристаллическим материалам относятся металлы, их сплавы и полупроводники. Та же вода в виде снежинок (кристаллов разнообразных не повторяющих форм) прекрасно иллюстрирует представление о кристаллических веществах. Аморфные вещества кристаллической решётки не имеют; такое строение характерно для диэлектриков.

В обычных условиях ток в твёрдых материалах протекает за счёт перемещения свободных электронов, образующихся из валентных электронов атомов. С точки зрения поведения материалов при пропускании через них электрического тока, последние подразделяются на проводники, полупроводники и изоляторы. Свойства различных материалов, согласно зонной теории проводимости, определяются шириной запрещённой зоны, в которой не могут находиться электроны. Изоляторы имеют самую широкую запрещённую зону, иногда достигающую 15 эВ. При температуре абсолютного нуля у изоляторов и полупроводников электронов в зоне проводимости нет, но при комнатной температуре в ней уже будет некоторое количество электронов, выбитых из валентной зоны за счет тепловой энергии. В проводниках (металлах) зона проводимости и валентная зона перекрываются, поэтому при температуре абсолютного нуля имеется достаточно большое количество электронов — проводников тока, что сохраняется и при более высоких температурах материалов, вплоть до их полного расплавления. Полупроводники имеют небольшие запрещённые зоны, и их способность проводить электрический ток сильно зависит от температуры, радиации и других факторов, а также от наличия примесей.

Трансформатор с магнитопроводом из пластин. На краях хорошо видны Ш-образные и замыкающие пластины из трансформаторной стали

Отдельным случаем считается протекание электрического тока через так называемые сверхпроводники — материалы, имеющие нулевое сопротивление протеканию тока. Электроны проводимости таких материалов образуют ансамбли частиц, связанные между собой за счёт квантовых эффектов.

Изоляторы, как следует из их названия, крайне плохо проводят электрический ток. Это свойство изоляторов используется для ограничения протекания тока между проводящими поверхностями различных материалов.

Помимо существования токов в проводниках при неизменном магнитном поле, при наличии переменного тока и связанного с ним переменного магнитного поля возникают эффекты, связанные с его изменением или так называемые «вихревые» токи, иначе называемые токами Фуко. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи, которые не текут по определённым путям в проводах, а, замыкаясь в проводнике, образуют вихревые контуры.

Вихревые токи проявляют скин-эффект, сводящийся к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника, что приводит к потерям энергии. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют разделение магнитопроводов переменного тока на отдельные, электрически изолированные, пластины.

Хромированная пластмассовая душевая головка

Электрический ток в жидкостях (электролитах)

Все жидкости, в той или иной мере, способны проводить электрический ток при приложении электрического напряжения. Такие жидкости называются электролитами. Носителями тока в них являются положительно и отрицательно заряженные ионы — соответственно катионы и анионы, которые существуют в растворе веществ вследствие электролитической диссоциации. Ток в электролитах за счёт перемещения ионов, в отличие от тока за счёт перемещения электронов, характерного для металлов, сопровождается переносом вещества к электродам с образованием вблизи них новых химических соединений или осаждением этих веществ или новых соединений на электродах.

Это явление заложило основу современной электрохимии, дав количественные определения грамм-эквивалентам различных химических веществ, тем самым превратив неорганическую химию в точную науку. Дальнейшее развитие химии электролитов позволило создать однократно заряжаемые и перезаряжаемые источники химического тока (сухие батареи, аккумуляторы и топливные элементы), которые, в свою очередь, дали огромный толчок в развитии техники. Достаточно заглянуть под капот своего автомобиля, чтобы увидеть результаты усилий поколений учёных и инженеров-химиков в виде автомобильного аккумулятора.

Автомобильный аккумулятор, установленный в автомобиле Honda 2012 г.

Большое количество технологических процессов, основанных на протекании тока в электролитах, позволяет не только придать эффектный вид конечным изделиям (хромирование и никелирование), но и защитить их от коррозии. Процессы электрохимического осаждения и электрохимического травления составляют основу производства современной электроники. Ныне это самые востребованные технологические процессы, число изготавливаемых компонентов по этим технологиям исчисляется десятками миллиардов единиц в год.

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах обусловлен наличием в них свободных электронов и ионов. Для газов, в силу их разрежённости, характерна большая длина пробега до столкновения молекул и ионов; из-за этого протекание тока в нормальных условиях через них относительно затруднено. То же самое можно утверждать относительно смесей газов. Природной смесью газов является атмосферный воздух, который в электротехнике считается неплохим изолятором. Это характерно и для других газов и их смесей при обычных физических условиях.

Отвертка-пробник с неоновой лампой, показывающая наличие напряжения 220 В

Протекание тока в газах очень сильно зависит от различных физических факторов, как-то: давления, температуры, состава смеси. Помимо этого, действие оказывают различного рода ионизирующие излучения. Так, например, будучи освещёнными ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, или находясь под действием катодных или анодных частиц или частиц, испускаемых радиоактивными веществами, или, наконец, под действием высокой температуры, газы приобретают свойство лучше проводить электрический ток.

Эндотермический процесс образования ионов в результате поглощения энергии электрически нейтральными атомами или молекулами газа называется ионизацией. Получив достаточную энергию, электрон или несколько электронов внешней электронной оболочки, преодолевая потенциальный барьер, покидают атом или молекулу, становясь свободными электронами. Атом или молекула газа становятся при этом положительно заряженными ионами. Свободные электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, образуя отрицательно заряженные ионы. Положительные ионы могут обратно захватывать свободные электроны при столкновении, становясь при этом опять электрически нейтральными. Этот процесс называется рекомбинацией.

Прохождение тока через газовую среду сопровождается изменением состояния газа, что предопределяет сложный характер зависимости тока от приложенного напряжения и, в общем, подчиняется закону Ома только при малых токах.

Различают несамостоятельный и самостоятельные разряды в газах. При несамостоятельном разряде ток в газе существует только при наличии внешних ионизирующих факторов, при их отсутствии сколь-нибудь значительного тока в газе нет. При самостоятельном разряде ток поддерживается за счёт ударной ионизации нейтральных атомов и молекул при столкновении с ускоренными электрическим полем свободными электронами и ионами даже после снятия внешних ионизирующих воздействий.

Тихий разряд. Вольт-амперная характеристика.

Несамостоятельный разряд при малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе называется тихим разрядом. При повышении напряжения сила тока сначала увеличивается пропорционально напряжению (участок ОА на вольт-амперной характеристике тихого разряда), затем рост тока замедляется (участок кривой АВ). Когда все частицы, возникшие под действием ионизатора, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок графика ВС). При дальнейшем повышении напряжения ток снова возрастает, и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд. Разновидность несамостоятельного разряда — тлеющий разряд, который создаёт свет в газоразрядных лампах различного цвета и назначения.

Переход несамостоятельного электрического разряда в газе в самостоятельный разряд характеризуется резким увеличением тока (точка Е на кривой вольт-амперной характеристики). Он называется электрическим пробоем газа.

Электронная лампа-вспышка с наполненной ксеноном трубкой (обведена красным прямоугольником)

Все вышеперечисленные типы разрядов относятся к установившимся типам разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени. Помимо установившихся разрядов, существуют разряды неустановившиеся, возникающие обычно в сильных неоднородных электрических полях, например у заостренных и искривлённых поверхностей проводников и электродов. Различают два типа неустановившихся разрядов: коронный и искровой разряды.

При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, просто он представляет собой повторяющийся процесс поджига несамостоятельного разряда в ограниченном пространстве возле проводников. Примером коронного разряда может служить свечение атмосферного воздуха вблизи высоко поднятых антенн, громоотводов или высоковольтных линий электропередач. Возникновение коронного разряда на линиях электропередач приводит к потерям электроэнергии. В прежние времена это свечение на верхушках мачт было знакомо морякам парусного флота как огоньки святого Эльма. Коронный разряд применяется в лазерных принтерах и электрографических копировальных устройствах, где он формируется коротроном — металлической струной, на которую подано высокое напряжение. Это необходимо для ионизации газа с целью нанесения заряда на фоточувствительный барабан. В данном случае коронный разряд приносит пользу.

Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою и имеет вид прерывистых ярких разветвляющихся, заполненных ионизированным газом нитей-каналов, возникающих и исчезающих, сопровождаемые выделением большого количества теплоты и ярким свечением. Примером естественного искрового разряда может служить молния, где ток может достигать значений в десятки килоампер. Образованию собственно молнии предшествует создание канала проводимости, так называемого нисходящего «тёмного» лидера, образующего совместно с индуцированным восходящим лидером проводящий канал. Молния представляет собой обычно многократный искровой разряд в образованном канале проводимости. Мощный искровой разряд нашёл своё техническое применение также и в компактных фотовспышках, в которых разряд происходит между электродами трубки из кварцевого стекла, наполненной смесью ионизированных благородных газов.

Длительный поддерживаемый пробой газа носит название дугового разряда и применяется в сварочной технике, являющейся краеугольным камнем технологий создания стальных конструкций нашего времени, от небоскрёбов до авианосцев и автомобилей. Он применяется как для сварки, так и для резки металлов; различие в процессах обусловлено силой протекающего тока. При относительно меньших значениях тока происходит сварка металлов, при более высоких значениях тока дугового разряда — идёт резка металла за счёт удаления расплавленного металла из-под электрической дуги различными методами.

Другим применением дугового разряда в газах служат газоразрядные лампы освещения, которые разгоняют тьму на наших улицах, площадях и стадионах (натриевые лампы) или автомобильные галогенные лампы, которые сейчас заменили обычные лампы накаливания в автомобильных фарах.

Электрический ток в вакууме

Электронная лампа в радиопередающей станции. Канадский музей науки и техники, Оттава

Вакуум является идеальным диэлектриком, поэтому электрический ток в вакууме возможен только при наличии свободных носителей в виде электронов или ионов, которые генерируются за счёт термо- или фотоэмиссии, или иными методами.

Такие передающие телевизионные камеры использовались в восьмидесятых годах прошлого века. Канадский музей науки и техники, Оттава

Основным методом получения тока в вакууме за счёт электронов является метод термоэлектронной эмиссии электронов металлами. Вокруг разогретого электрода, называемого катодом, образуется облако из свободных электронов, которые и обеспечивают протекание электрического тока при наличии второго электрода, называемого анодом, при условии наличия между ними соответствующего напряжения требуемой полярности. Такие электровакуумные приборы называются диодами и обладают свойством односторонней проводимости тока, запираясь при обратном напряжении. Это свойство применяется для выпрямления переменного тока, преобразуемого системой из диодов в импульсный ток постоянного направления.

Добавление дополнительного электрода, называемого сеткой, расположенной вблизи катода, позволяет получить усилительный элемент триод, в котором малые изменения напряжения на сетке относительно катода позволяют получить значительные изменения протекающего тока, и, соответственно, значительные изменения напряжения на нагрузке, включённой последовательно с лампой относительно источника питания, что и используется для усиления различных сигналов.

Применение электровакуумных приборов в виде триодов и приборов с большим числом сеток различного назначения (тетродов, пентодов и даже гептодов), произвело революцию в деле генерации и усиления радиочастотных сигналов, и привело к созданию современных систем радио и телевещания.

Современный видеопроектор

Исторически первым было развитие именно радиовещания, так как методы преобразования относительно низкочастотных сигналов и их передача, равно как и схемотехника приёмных устройств с усилением и преобразованием радиочастоты и превращением её в акустический сигнал были относительно просты.

При создании телевидения для преобразования оптических сигналов применялись электровакуумные приборы — иконоскопы, где электроны эмитировались за счёт фотоэмиссии от падающего света. Дальнейшее усиление сигнала выполнялось усилителями на электронных лампах. Для обратного преобразования телевизионного сигнала служили кинескопы, дающие изображение за счёт флюоресценции материала экрана под воздействием электронов, разгоняемых до высоких энергий под воздействием ускоряющего напряжения. Синхронизированная система считывания сигналов иконоскопа и система развёртки изображения кинескопа создавали телевизионное изображение. Первые кинескопы были монохромными.

Сканирующий электронный микроскоп SU3500 в Университете Торонто, факультет технологии материалов

В дальнейшем были созданы системы цветного телевидения, в котором считывающие изображение иконоскопы реагировали только на свой цвет (красный, синий или зелёный). Излучающие элементы кинескопов (цветной люминофор), за счёт протекания тока, вырабатываемого так называемыми «электронными пушками», реагируя на попадание в них ускоренных электронов, излучали свет в определённом диапазоне соответствующей интенсивности. Чтобы лучи от пушек каждого цвета попадали на свой люминофор, использовали специальные экранирующие маски.

Современная аппаратура телевидения и радиовещания выполняется на более прогрессивных элементах с меньшим энергопотреблением — полупроводниках.

Одним из широко распространённых методов получения изображения внутренних органов является метод рентгеноскопии, при котором эмитируемые катодом электроны получают столь значительное ускорение, что при попадании на анод генерируют рентгеновское излучение, способное проникать через мягкие ткани тела человека. Рентгенограммы дают в руки медиков уникальную информацию о повреждениях костей, состоянии зубов и некоторых внутренних органов, выявляя даже такое грозное заболевание, как рак лёгких.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) диапазона С. Канадский музей науки и техники, Оттава

Вообще, электрические токи, сформированные в результате движения электронов в вакууме, имеют широчайшую область применения, к которой относятся все без исключения радиолампы, ускорители заряженных частиц, масс-спектрометры, электронные микроскопы, вакуумные генераторы сверхвысокой частоты, в виде ламп бегущей волны, клистронов и магнетронов. Именно магнетроны, кстати, подогревают или готовят нам пищу в микроволновых печах.

Большое значение в последнее время имеет технология нанесения плёночных покрытий в вакууме, которые играют роль как защитно-декоративного, так и функционального покрытия. В качестве таких покрытий применяются покрытия металлами и их сплавами, и их соединениями с кислородом, азотом и углеродом. Такие покрытия изменяют электрические, оптические, механические, магнитные, коррозионные и каталитические свойства покрываемых поверхностей, либо сочетают сразу несколько свойств.

Сложный химический состав покрытий можно получать только с использованием техники ионного распыления в вакууме, разновидностями которой являются катодное распыление или его промышленная модификация — магнетронное распыление. В конечном итоге именно электрический ток за счёт ионов производит осаждение компонентов на осаждаемую поверхность, придавая ей новые свойства.

Именно таким способом можно получать так называемые ионные реактивные покрытия (плёнки нитридов, карбидов, оксидов металлов), обладающих комплексом экстраординарных механических, теплофизических и оптических свойств (с высокой твёрдостью, износостойкостью, электро- и теплопроводностью, оптической плотностью), которые невозможно получить иными методами.

Электрический ток в биологии и медицине

Учебная операционная в Научно-исследовательском институте им. Ли Кашина, Торонто, Канада. Используемые при обучении роботизированные пациенты-манекены умеют моргать, дышать, кричать, демонстрировать симптомы болезней и кровотечения

Знание поведения токов в биологических объектах даёт в руки биологов и медиков мощный метод исследования, диагностики и лечения.

С точки зрения электрохимии все биологические объекты содержат электролиты, вне зависимости от особенностей структуры данного объекта.

При рассмотрении протекания тока через биологические объекты необходимо учитывать их клеточное строение. Существенным элементом клетки является клеточная мембрана — внешняя оболочка, ограждающая клетку от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды за счёт ее избирательной проницаемости для различных веществ. С точки зрения физики, клеточную мембрану можно представить себе в виде параллельного соединения конденсатора и нескольких цепочек из соединенных последовательно источника тока и резистора. Это предопределяет зависимость электропроводности биологического материала от частоты прилагаемого напряжения и формы его колебаний.

Объемное представление нервных путей, соединяющих различные области мозга. Изображение получено с помощью диффузионной тензорной визуализации (ДТВ) — неинвазивного метода исследований мозга.

Биологическая ткань состоит из клеток собственно органа, межклеточной жидкости (лимфы), кровеносных сосудов и нервных клеток. Последние в ответ на воздействие электрического тока отвечают возбуждением, заставляя сокращаться и расслабляться мышцы и кровеносные сосуды животного. Следует отметить, что протекание тока в биологической ткани носит нелинейный характер.

Классическим примером воздействия электрического тока на биологический объект могут служить опыты итальянского врача, анатома, физиолога и физика Луиджи Гальвани, ставшего одним из основателей электрофизиологии. В его опытах пропускание электрического тока через нервы лапки лягушки приводило к сокращению мышц и подергиванию ножки. В 1791 году в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие. Сами явления, открытые Гальвани, долгое время в учебниках и научных статьях назывались «гальванизмом». Этот термин и доныне сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов.

Дальнейшее развитие электрофизиологии тесно связано с нейрофизиологией. В 1875 году независимо друг от друга английский хирург и физиолог Ричард Кэтон и русский физиолог В. Я. Данилевский показали, что мозг является генератором электрической активности, то есть были открыты биотоки мозга.

Биологические объекты в ходе своей жизнедеятельности создают не только микротоки, но и большие напряжения и токи. Значительно раньше Гальвани английский анатом Джон Уолш доказал электрическую природу удара ската, а шотландский хирург и анатом Джон Хантер дал точное описание электрического органа этого животного. Исследования Уолша и Хантера были опубликованы в 1773 году.

Функциональная магнитно-резонансная томография или фМРТ — неинвазивная методика нейровизуализации, позволяющая измерять активность мозга по изменениям в токе крови в кровеносных сосудах

В современной биологии и медицине применяются различные методы исследования живых организмов, как инвазивные, так и неинвазивные.

Классическим примером инвазивных методов является лабораторная крыса с пучком вживлённых в мозг электродов, бегающая по лабиринтам или решающая другие задачки, поставленные перед ней учёными.

К неинвазивным методам относятся такие, всем знакомые исследования, как снятие энцефалограммы или электрокардиограммы. При этом электроды, считывающие биотоки сердца или мозга, снимают токи прямо с кожи обследуемого. Для улучшения контакта с электродами кожа смачивается физиологическим раствором, который является неплохим проводящим электролитом.

Помимо применения электрического тока при научных исследованиях и техническом контроле состояния различных химических процессов и реакций, одним из самых драматических моментов его применения, известного широкой публике, является запуск «остановившегося» сердца какого-либо героя современного фильма.

Автоматический дефибриллятор для обучения лиц, не являющихся медработниками

Действительно, протекание кратковременного импульса значительного тока лишь в единичных случаях способно запустить остановившееся сердце. Чаще всего происходит восстановление его нормального ритма из состояния хаотичных судорожных сокращений, называемого фибрилляцией сердца. Приборы, применяющиеся для восстановления нормального ритма сокращений сердца, называются дефибрилляторами. Современный автоматический дефибриллятор сам снимает кардиограмму, определяет фибрилляцию желудочков сердца и самостоятельно решает – бить током или не бить – может быть достаточно пропустить через сердце небольшой запускающий импульс. Существует тенденция установления автоматических дефибрилляторов в общественных местах, что может существенно сократить количество смертей из-за неожиданной остановки сердца.

У практикующих врачей скорой помощи не возникает никакого сомнения по поводу применения метода дефибрилляции – обученные быстро определять физическое состояние пациента по кардиограмме, они принимают решение значительно быстрее автоматического дефибриллятора, предназначенного для широкой публики.

Тут же уместно будет упомянуть об искусственных водителях сердечного ритма, иначе называемых кардиостимуляторами. Эти приборы вживляются под кожу или под грудную мышцу человека, и такой аппарат через электроды подаёт на миокард (сердечную мышцу) импульсы тока напряжением около 3 В, стимулируя нормальную работу сердца. Современные электрокардиостимуляторы способны обеспечить бесперебойную работу в течение 6–14 лет.

Характеристики электрического тока, его генерация и применение

Электрический ток характеризуется величиной и формой. По его поведению с течением времени различают постоянный ток (не изменяющийся с течением времени), апериодический ток (произвольно изменяющийся с течением времени) и переменный ток (изменяющийся с течением времени по определённому, как правило, периодическому закону). Иногда для решения различных задач требуется одновременное наличие постоянного и переменного тока. В таком случае говорят о переменном токе с постоянной составляющей.

Токамак-де-Варен — токамак-реактор в г. Варен, пров. Квебек в 1981 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

Исторически первым появился трибоэлектрический генератор тока, который вырабатывал ток за счёт трения шерсти о кусок янтаря. Более совершенные генераторы тока такого типа сейчас называются генераторами Ван де Граафа, по имени изобретателя первого технического решения таких машин.

Как указывалось выше, итальянским физиком Алессандро Вольта был изобретён электрохимический генератор постоянного тока, ставший предшественником сухих батарей, аккумуляторов и топливных элементов, которые мы пользуемся и поныне как удобными источниками тока для разнообразных устройств — от наручных часов и смартфонов до просто автомобильных аккумуляторов и тяговых аккумуляторов электромобилей Tesla.

Помимо этих генераторов постоянного тока, существуют генераторы тока на прямом ядерном распаде изотопов и магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) тока, которые пока имеют ограниченное применение в силу своей маломощности, слабой технологической основы для широкого применения и по другим причинам. Тем не менее, радиоизотопные источники энергии широко применяются там, где нужна полная автономность: в космосе, на глубоководных аппаратах и гидроакустических станциях, на маяках, бакенах, а также на Крайнем Севере, в Арктике и Антарктике.

Коллектор в мотор-генераторе, ок. 1904 г. Канадский музей науки и техники, Оттава

В электротехнике генераторы тока подразделяются на генераторы постоянного тока и генераторы переменного тока.

Все эти генераторы основаны на явлении электромагнитной индукции, открытой Майклом Фарадеем в 1831 году. Фарадей построил первый маломощный униполярный генератор, дающий постоянный ток. Первый генератор переменного тока был предложен анонимным автором под латинскими инициалами Р.М. в письме к Фарадею в 1832 году. После опубликования письма, Фарадей получил благодарственное письмо от того же анонима со схемой усовершенствованного генератора в 1833 году, в котором использовалось дополнительное стальное кольцо (ярмо) для замыкания магнитных потоков сердечников обмоток.

Однако в то время для переменного тока еще не нашлось применения, так как для всех практических применений электричества того времени (минная электротехника, электрохимия, только что зародившаяся электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели) требовался постоянный ток. Поэтому в последующем изобретатели направили свои усилия на построение генераторов, дающих постоянный электрический ток, разрабатывая для этих целей разнообразные коммутационные устройства.

Одним из первых генераторов, получившим практическое применение, был магнитоэлектрический генератор российского академика Б. С. Якоби. Этот генератор был принят на вооружение гальванических команд русской армии, использовавших его для воспламенения минных запалов. Улучшенные модификации генератора Якоби до сих пор используются для удалённого приведения в действие минных зарядов, что нашло широкое отображение в военно-исторических фильмах, в которых диверсанты или партизаны подрывают мосты, поезда или другие объекты.

Объектив лазера в приводе компакт-диска

В дальнейшем борьба между генерацией постоянного или переменного тока с переменным успехом велась среди изобретателей и инженеров–практиков, приведшая к апогею противостояния титанов современной электроэнергетики: Томаса Эдисона с компанией Дженерал Электрик с одной стороны, и Николой Тесла с компанией Вестингауз, с другой стороны. Победил мощный капитал, и разработки Тесла в области генерации, передачи, и трансформации переменного электрического тока стали общенациональным достоянием американского общества, что, в немалой степени, позднее способствовало технологическому доминированию США.

Помимо собственно генерации электричества для разнообразных нужд, основанной на преобразовании механического движения в электричество, за счёт обратимости электрических машин появилась возможность обратного преобразования электрического тока в механическое движение, реализуемая электродвигателями постоянного и переменного тока. Пожалуй, это самые распространённые машины современности, включающие в себя стартеры автомобилей и мотоциклов, приводы промышленных станков и разнообразных бытовых устройств. Используя различные модификации подобных устройств, мы стали мастерами на все руки, мы умеем строгать, пилить, сверлить и фрезеровать. А в наших компьютерах, благодаря миниатюрным прецизионным двигателям постоянного тока, крутятся приводы жёстких и оптических дисков.

Кроме привычных электромеханических двигателей, за счёт протекания электрического тока работают ионные двигатели, использующие принцип реактивного движения при выбросе ускоренных ионов вещества, Пока, в основном, они применяются в космическом пространстве на малых спутниках для выведения их на нужные орбиты. А фотонные двигатели 22-го века, которые существуют пока только в проекте и которые понесут наши будущие межзвёздные корабли с субсветовой скоростью, скорее всего, тоже будут работать на электрическом токе.

Стрелочный мультиметр со снятой верхней крышкой

Для создания электронных элементов и при выращивании кристаллов различного назначения по технологическим причинам требуются сверхстабильные генераторы постоянного тока. Такие прецизионные генераторы постоянного тока на электронных компонентах называются стабилизаторами тока.

Измерение силы электрического тока

Необходимо отметить, что приборы для измерения тока (микроамперметры, миллиамперметры, амперметры) весьма отличаются друг от друга в первую очередь по типу конструкций и принципам действия — это могут быть приборы постоянного тока, переменного тока низкой частоты и переменного тока высокой частоты.

По принципу действия различают электромеханические, магнитоэлектрические, электромагнитные, магнитодинамические, электродинамические, индукционные, термоэлектрические и электронные приборы. Большинство стрелочных приборов для измерения токов состоит из комбинации подвижной/неподвижной рамки с намотанной катушкой и неподвижного/подвижного магнитов. Вследствие такой конструкции типичный амперметр имеет эквивалентную схему из последовательно соединённых индуктивности и сопротивления, шунтированных ёмкостью. Из-за этого частотная характеристика стрелочных амперметров имеет завал по высоким частотам.

Подвижная рамка с катушкой, стрелкой и пружинами, используемая в гальванометре показанного выше мультиметра. Некоторые до сих пор предпочитают пользоваться стрелочными приборами, конструкция которых с конца 19-го века остается практически неизменной

Основой для них является миниатюрный гальванометр, а различные пределы измерения достигаются применением дополнительных шунтов — резисторов с малым сопротивлением, которое на порядки ниже сопротивления измерительного гальванометра. Таким образом, на основе одного прибора могут быть созданы приборы для измерения токов различных диапазонов – микроамперметры, миллиамперметры, амперметры и даже килоамперметры.

Вообще, в измерительной практике важно поведение измеряемого тока — он может быть функцией времени и иметь различную форму — быть постоянным, гармоническим, негармоническим, импульсным и так далее, и его величиной принято характеризовать режимы работ радиотехнических цепей и устройств. Различают следующие значения токов:

• мгновенное,
• амплитудное,
• среднее,
• среднеквадратичное (действующее).

Мгновенное значение тока I _i — это значение тока в определенный момент времени. Его можно наблюдать на экране осциллографа и определять для каждого момента времени по осциллограмме.

Амплитудное (пиковое) значение тока I_m — это наибольшее мгновенное значение тока за период.

Среднее квадратичное (действующее) значение тока I определяется как корень квадратный из среднего за период квадрата мгновенных значений тока.

Все стрелочные амперметры обычно градуируются в среднеквадратических значениях тока.

Среднее значение (постоянная составляющая) тока — это среднее арифметическое всех его мгновенных значений за время измерения.

Разность между максимальным и минимальным значениями тока сигнала называют размахом сигнала.

Сейчас, в основном, для измерения тока используются как многофункциональные цифровые приборы, так и осциллографы — на их экранах отображается не только форма напряжения/тока, но и существенные характеристики сигнала. К таким характеристикам относится и частота изменения периодических сигналов, поэтому в технике измерений важен частотный предел измерений прибора.

Измерение тока с помощью осциллографа

Иллюстрацией к вышесказанному будет серия опытов по измерению действующего и пикового значения тока синусоидального и треугольного сигналов с использованием генератора сигналов, осциллографа и многофункционального цифрового прибора (мультиметра).

Общая схема эксперимента №1 представлена ниже:

Генератор сигналов (FG) нагружен на последовательное соединение мультиметра (MM), сопротивление шунта R_s=100 Ом и сопротивление нагрузки R в 1 кОм. Осциллограф OS подключен параллельно сопротивлению шунта R_s. Значение сопротивления шунта выбирается из условия R_s <<R. При проведении опытов учтём то обстоятельство, что рабочая частота осциллографа значительно выше рабочей частоты мультиметра.

Опыт 1

Подадим на сопротивление нагрузки сигнал синусоидальной формы с генератора частотой 60 Герц и амплитудой 9 Вольт. Нажмем очень удобную кнопку Auto Set и будем наблюдать на экране сигнал, показанный на рис. 1. Размах сигнала — около пяти больших делений при цене деления 200 мВ. Мультиметр при этом показывает значение тока в 3,1 мА. Осциллограф определяет среднеквадратичное значение напряжения сигнала на измерительном резисторе U=312 мВ. Действующее значение тока через резистор R_s определяется по закону Ома:

I_RMS = U_RMS/R = 0,31 В / 100 Ом = 3,1 мА,

что соответствует показаниям мультиметра (3,10 мА). Отметим, что размах тока через нашу цепь из включенных последовательно двух резисторов и мультиметра равен

I_P-P = U_P-P/R = 0,89 В / 100 Ом = 8,9 мА

Известно, что пиковое и действующее значения тока и напряжения для синусоидального сигнала отличаются в √2 раз. Если умножить I_RMS = 3,1 мА на √2, получим 4,38. Удвоим это значение и мы получим 8,8 мА, что почти соответствует току, измеренному с помощью осциллографа (8,9 мА).

Опыт 2

Уменьшим сигнал от генератора вдвое. Размах изображения на осциллографе уменьшится ровно приблизительно вдвое (464 мВ) и мультиметр покажет приблизительно уменьшенное вдвое значение тока 1,55 мА. Определим показания действующего значения тока на осциллографе:

I_RMS = U_RMS/R = 0,152 В / 100 Ом = 1,52 мА,

что приблизительно соответствует показаниям мультиметра (1,55 мА).

Опыт 3

Увеличим частоту генератора до 10 кГц. При этом изображение на осциллографе изменится, но размах сигнала останется прежним, а показания мультиметра уменьшатся — сказывается допустимый рабочий частотный диапазон мультиметра.

Опыт 4

Вернёмся к исходной частоте 60 Герц и напряжению 9 В генератора сигналов, но изменим форму его сигнала с синусоидальной на треугольную. Размах изображения на осциллографе остался прежним, а показания мультиметра уменьшились по сравнению со значением тока, которое он показывал в опыте №1, так как изменилось действующее значение тока сигнала. Осциллограф также показывает уменьшение среднеквадратичного значения напряжения, измеренного на резисторе R_s=100 Ом.

Техника безопасности при измерении тока и напряжения

Самодельный пьедестал-стойка с полнофункциональным телесуфлёром и мониторами для домашней видеостудии

• Поскольку в зависимости от класса безопасности помещения и его состояния при измерении токов даже относительно невысокие напряжения уровня 12–36 В могут представлять опасность для жизни, необходимо выполнять следующие правила:
• Не проводить измерения токов, требующих определённых профессиональных навыков ( при напряжении свыше 1000 В).
• Не производить измерения токов в труднодоступных местах или на высоте.
• При измерениях в бытовой сети применять специальные средства защиты от поражения электрическим током (резиновые перчатки, коврики, сапоги или боты).
• Пользоваться исправным измерительным инструментом.
• В случае использования многофункциональных приборов (мультиметров), следить за правильной установкой измеряемого параметра и его величины перед измерением.
• Пользоваться измерительным прибором с исправными щупами.
• Строго следовать рекомендациям производителя по использованию измерительного прибора.

Автор статьи: Сергей Акишкин

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Устройства переменного и постоянного тока

Часть причины историческая. Преобразование напряжения раньше требовало гораздо большего и более дорогого оборудования, чем сегодня, и многие электрические устройства требовали более высокого напряжения, чем сегодня. Белые светодиоды, которые являются первым дизайном электрических ламп общего назначения, который не нуждается высокого напряжения (ни для эффективности, ни для того, чтобы она вообще работала), появились на рынке только в 2010 году. Линейные «настенные бородавки» все еще были обычным явлением. в 2000 году были телевизоры с электронно-лучевой трубкой. Радио и телевизоры, которые использовали вакуумные трубки внутри (возможно, вместе с транзисторами), все еще были обычным явлением в начале 1980-х годов.

Следовательно, более старые виды использования электроэнергии, такие как лампы и бытовые приборы, как правило, были рассчитаны на работу непосредственно от напряжения сети, потому что наличие сетевого напряжения было для них более полезным, а также потому, что дешевле было делать это таким образом.

Любое бытовое устройство, которое вы приобретаете сегодня, и которое все еще работает непосредственно от сетевого напряжения, возможно, имеет мощный двигатель или нагреватель внутри; это те приложения, для которых еще более эффективно использовать прямое напряжение сети. Светодиодные лампочки являются особым случаем: имело бы определенный смысл питать их напряжением 12 В постоянного тока или около того, но поскольку в домах уже есть все проводное и ламповое оборудование, настроенное для освещения линейного напряжения, вместо этого они имеют встроенные преобразователи энергии.

(Вопрос для галереи арахиса: Какие напряжения используются внутри внутри аудиоустройства потребительского уровня текущего поколения? Они также имеют тенденцию потреблять входную мощность линейного напряжения, но это может быть просто «мы можем установить преобразователь внутри корпуса». «Сценарий упоминается в других ответах. Я не знаю, так или иначе.)

Электронные схемы — выпрямители — CoderLessons.com

Всякий раз, когда возникает необходимость преобразовать переменный ток в постоянный, на помощь приходит схема выпрямителя. Простой PN диод перехода действует как выпрямитель. Прямое смещение и условия обратного смещения диода производит выпрямление.

выпрямление

Переменный ток обладает свойством непрерывно изменять свое состояние. Это можно понять, наблюдая синусоидальную волну, на которую указывает переменный ток. Он поднимается в положительном направлении, достигает пикового положительного значения, уменьшается оттуда до нормы и снова переходит в отрицательную часть, достигает отрицательного пика, снова возвращается к норме и продолжается.

Во время своего пути в формировании волны мы можем наблюдать, что волна идет в положительном и отрицательном направлениях. На самом деле он полностью меняется и отсюда и название переменного тока.

Но в процессе выпрямления этот переменный ток превращается в постоянный ток постоянного тока. Волна, которая течет как в положительном, так и в отрицательном направлении до тех пор, будет преобразована в постоянное направление только в положительном направлении. Следовательно, ток может течь только в положительном направлении и сопротивляться в отрицательном направлении, как показано на рисунке ниже.

Схема, которая выполняет выпрямление, называется схемой выпрямителя . Диод используется в качестве выпрямителя для построения схемы выпрямителя.

Типы выпрямительных цепей

Существует два основных типа выпрямительных цепей, в зависимости от их выхода. Они есть

• Полуволновой выпрямитель
• Двухполупериодный выпрямитель

Полуволновая выпрямительная схема выпрямляет только положительные полупериоды входного питания, тогда как полноволновая выпрямительная схема выпрямляет как положительные, так и отрицательные полупериоды входного питания.

Полуволновой выпрямитель

Само название полуволнового выпрямителя гласит, что выпрямление выполняется только для половины цикла. Сигнал переменного тока подается через входной трансформатор, который повышается или понижается в зависимости от использования. Преимущественно понижающий трансформатор используется в цепях выпрямителя, чтобы уменьшить входное напряжение.

Входной сигнал, подаваемый на трансформатор, пропускается через PN-диод, который действует как выпрямитель. Этот диод преобразует переменное напряжение в пульсирующий постоянный ток только для положительных полупериодов входа. Нагрузочный резистор подключен в конце цепи. На рисунке ниже показана схема полуволнового выпрямителя.

Рабочая HWR

TВходной сигнал подается на трансформатор, который снижает уровни напряжения. Выход с трансформатора подается на диод, который действует как выпрямитель. Этот диод включается (проводит) для положительных полупериодов входного сигнала. Следовательно, в цепи течет ток, и на резисторе нагрузки будет падение напряжения. Диод выключается (не проводит) для отрицательных полупериодов, и, следовательно, выход для отрицательных полупериодов будет, iD=0 и Vo=0.

Следовательно, выход присутствует только для положительных полупериодов входного напряжения (без учета обратного тока утечки). Этот выход будет пульсирующим, который проходит через нагрузочный резистор.

Форма волны HWR

Форма входного и выходного сигналов показана на следующем рисунке.

Следовательно, выход полуволнового выпрямителя является пульсирующим постоянным током. Попробуем проанализировать приведенную выше схему, понимая несколько значений, которые получены на выходе полуволнового выпрямителя.

Анализ полуволнового выпрямителя

Чтобы проанализировать схему полуволнового выпрямителя, рассмотрим уравнение входного напряжения.

vi=Vm sin omegat

Vm — максимальное значение напряжения питания. {\ pi} \ right]

= \ frac {1} {2 \ pi} \ left [I_m \ left \ {+ 1- \ left (-1 \ right) \ right \} \ right] = \ frac {I_m} {\ pi} = 0,318 I_m

Подставляя значение Im, получаем

Idc= fracVm pi left(Rf+RL right)

Если RL>>Rf, то

Idc= fracVm piRL=0.318 fracVmRL

Выходное напряжение постоянного тока

Выходное напряжение постоянного тока определяется как

Vdc=Idc timesRL= fracIm pi timesRL

= \ frac {V_m \ times R_L} {\ pi \ left (R_f + R_L \ right)} = \ frac {V_m} {\ pi \ left \ {1+ \ left (R_f / R_L \ right) \ right \}}

Если RL>>Rf, то

Vdc= fracVm pi=0.318Vm

Действующее значение тока и напряжения

Значение среднеквадратичного тока определяется как

Irms= left[ frac12 pi int2 pi0i2d left( omegat right) right] гидроразрыва12

Irms= left[ frac12 pi int2 pi0I2m sin2 omegatd left( omegat right)+ frac12 pi int2 pi pi0d left( omegat right) right] гидроразрыва12

= left[ fracI2m2 pi int pi0 left( frac1− cos2 omegat2 right)d left( omegat right) right] frac12

= \ left [\ frac {I_ {m} ^ {2}} {4 \ pi} \ left \ {\ left (\ omega t \ right) — \ frac {\ sin 2 \ omega t} {2} \ right \} _ {0} ^ {\ pi} \ right] ^ {\ frac {1} {2}}

= \ left [\ frac {I_ {m} ^ {2}} {4 \ pi} \ left \ {\ pi — 0 — \ frac {\ sin 2 \ pi} {2} + \ sin 0 \ right \} \ right] ^ {\ frac {1} {2}}

= left[ fracI2m4 pi right] frac12= fracIm2

= fracVm2 left(Rf+RL right)

Среднеквадратичное напряжение на нагрузке

Vrms=Irms timesRL= fracVm timesRL2 left(Rf+RL right)

= \ frac {V_m} {2 \ left \ {1+ \ left (R_f / R_L \ right) \ right \}}

Если RL>>Rf, то

Vэфф= гидроразрываVm2

Эффективность выпрямителя

Любая схема должна быть эффективной в работе для лучшей производительности. 2} \ frac {1} {\ left \ {1+ \ left (R_f / R_L \ right) \ right \}} = \ frac {0.406} {\ left \ {1+ \ left (R_f / R_L \ right) \ right \}}

Процент эффективности выпрямителя

 eta= frac40.6 lbrace1+ lgroupRf/RL rgroup rbrace

Теоретически, максимальное значение эффективности выпрямителя полуволнового выпрямителя составляет 40,6%, когда Rf/RL=0

Кроме того, эффективность может быть рассчитана следующим образом

 eta= fracPdcPac= frac left(Idc right)2RL left(Irms right)2RL= frac left(Vdc/RL right)2RL left(Vrms/RL right)2RL= frac left(Vdc right)2 left(Vrms right)2

= frac left(Vm/ pi right)2 left(Vm/2 right)2= frac4 pi2=0.406

=40,6%

Пульсационный фактор

Выпрямленный выход содержит некоторое количество компонента переменного тока, присутствующего в нем, в виде ряби. Это можно понять, наблюдая форму выходного сигнала полуволнового выпрямителя. Чтобы получить чистый постоянный ток, нам нужно иметь представление об этом компоненте.

Коэффициент пульсации дает волнистость выпрямленного выхода. Обозначается у . Это может быть определено как отношение действующего значения переменного компонента напряжения или тока к прямому значению или среднему значению.

 gamma= fracпульсациянапряжениеdcVoltage= fracrmsзначениеofвспомогательныйdcvalueofwave= frac left(Vr right)rmsvdc

Вот,

 left(Vr right)rms= sqrtV2rms−V2dc

Следовательно,

 gamma= frac sqrtV2rms−V2dcVdc= sqrt left( fracVrmsVdc right)2−1

Сейчас,

Vrms= left[ frac12 pi int2 pi0V2m sin2 omegatd влево( omegat right) right] frac12

=Vm left[ frac14 pi int pi0 left(1− cos2 omegat right)d left( omegat справа) right] frac12= fracVm2

Vdc=Vav= frac12 pi left[ int pi0Vm sin omegatd left( omegat right)+ int2 pi00.d left( omegat right) right]

= fracVm2 pi left[− cos omegat right] pi0= fracVm pi

\ gamma = \ sqrt {\ left [\ left \ {\ frac {\ left (V_m / 2 \ right)} {\ left (V_m / \ pi \ right)} \ right \} ^ 2-1 \ right ]} = \ sqrt {\ left \ {\ left (\ frac {\ pi} {2} \ right) ^ 2-1 \ right \}} = 1.21

Коэффициент пульсации также определяется как

 gamma= frac left(Ir right)rmsIdc

Поскольку значение коэффициента пульсации, присутствующего в полуволновом выпрямителе, составляет 1,21, это означает, что количество переменного тока, присутствующего в выходном сигнале, составляет 121% от напряжения постоянного тока.

регулирование

Ток через нагрузку может варьироваться в зависимости от сопротивления нагрузки. Но даже в таких условиях мы ожидаем, что наше выходное напряжение, которое принимается через этот нагрузочный резистор, будет постоянным. Таким образом, наше напряжение необходимо регулировать даже при различных условиях нагрузки.

Изменение выходного напряжения постоянного тока при изменении тока нагрузки постоянного тока определяется в качестве Правил . Процентное регулирование рассчитывается следующим образом.

Percentagereglation= fracVnoload−VfullloadVfullload times100%

Чем ниже процентное регулирование, тем лучше будет блок питания. 2 \ times R_L} {\ left \ {I_m \ left (R_f + R_L \ right) / \ sqrt {2} \ right \} \ times \ left (I_m / 2 \ right)}

= frac2 sqrt2 pi2 times fracRL left(Rf+RL right)

= frac2 sqrt2 pi2=0.287

Пиковое обратное напряжение

Диод, если он подключен в обратном смещении, должен работать при контролируемом уровне напряжения. Если это безопасное напряжение превышено, диод будет поврежден. Следовательно, очень важно знать об этом максимальном напряжении.

Максимальное обратное напряжение, которое диод может выдержать без разрушения, называется пиковым обратным напряжением. Короче, PIV .

Здесь PIV не что иное, как Vm

Фактор формы

Это можно понимать как математическое среднее абсолютных значений всех точек на осциллограмме. Коэффициент формы определяется как отношение среднеквадратичного значения к среднему значению. Обозначается через F.

F= гидроразрываэффзначениесредняязначение= гидроразрываim/2im/ р= гидроразрыва0.5Im0.318Im=1,57

Пиковый фактор

Значение пика в пульсации необходимо учитывать, чтобы знать, насколько эффективно выпрямление. Значение пикового фактора также является важным фактором. Пиковый коэффициент определяется как отношение пикового значения к среднеквадратичному значению.

Следовательно

PeakFactor= fracPeakvaluermsvalue= fracVmVm/2=2

Все это важные параметры, которые необходимо учитывать при изучении выпрямителя.

Лучший способ преобразовать переменный ток в постоянный

Вы ищете лучший способ преобразовать переменный ток в постоянный? Если «да», это поможет вам шаг за шагом преобразовать переменный ток в постоянный.

Большинство существующих электронных устройств состоит из цепей, которые для правильного функционирования могут получать питание только от постоянного или постоянного тока. Вот почему нам нужен лучший способ преобразования переменного тока в постоянный. Итак, нельзя ли просто производить постоянный ток на нашей электростанции?

К сожалению, транспортировка постоянного тока от электростанции в наши дома приводит к огромным потерям электроэнергии по пути.Потери энергии происходят из-за того, что потеря электрической энергии является продуктом сопротивления и тока.

Это сопротивление электрического проводника и величина тока, протекающего через этот проводник.

Хотя мало что можно сделать для минимизации электрического сопротивления, мы можем уменьшить величину тока, увеличив напряжение. Таким образом, мы можем минимизировать потери электроэнергии по проводнику и иметь возможность отправлять электроэнергию в отдаленные места.

Единственный недостаток того, что только переменный ток позволяет эффективно многократно повышать и понижать напряжение.

Следовательно, электростанции должны производить электроэнергию в форме переменного тока, а затем, когда она попадает в наши помещения, мы должны использовать преобразователи переменного тока в постоянный, чтобы преобразовать ее в постоянный ток. Имея это в виду, мы рассмотрим лучший способ преобразовать переменный ток в постоянный ток.

Лучший способ последовательного преобразования переменного тока в постоянный

1. Знайте, какой вход переменного тока в ваш преобразователь

Вам необходимо знать, какое входное напряжение переменного тока будет выдерживать ваш преобразователь. В большинстве домов в США, Канаде и Южной Америке выходная мощность сетевых розеток находится в диапазоне от 110 до 120 вольт при частоте 60 Гц.

Если вы живете в других местах по всему миру или производите энергию от собственных генераторов, тогда стандарты могут быть другими.

2. Узнайте о номинальной мощности ваших электронных устройств.

Номинальная мощность большинства электронных устройств указана с учетом входного тока и напряжения. Другие устройства будут включать только мощность и напряжение.

Мощность в ваттах складывается из напряжения и тока, ток можно получить, разделив мощность на напряжение.Вы должны убедиться, что мощность вашего источника питания не превышает рекомендации производителя.

Слишком высокое напряжение или ток приведет к повреждению хрупких электронных компонентов. С другой стороны, если напряжение или ток слишком малы, он не сможет питать электронные компоненты.

3. Используйте трансформатор для понижения напряжения переменного тока

Трансформатор — одно из лучших устройств, которое можно использовать для понижения напряжения переменного тока. Есть два типа трансформаторов; есть повышающий трансформатор и понижающий трансформатор.

Повышающий трансформатор — это то, что есть на электростанции, а понижающий трансформатор — это то, что есть в большинстве домов. В понижающем трансформаторе в первичной обмотке больше обмоток, чем во вторичной.

Переменный ток из сетевой розетки поступает на обмотки первичной катушки трансформатора, и они индуцируют во вторичной обмотке ток с низким напряжением.

Очень мало энергии теряется, потому что индуцированный ток низкого напряжения имеет более высокое значение силы в той же пропорции, что и уменьшенное напряжение.

4. Используйте выпрямитель для преобразования переменного тока низкого напряжения в постоянный ток

Выпрямитель — это электрическая цепь, состоящая по крайней мере из четырех диодов, расположенных в форме ромба, и ее обычно называют мостом. выпрямитель.

В схеме мостового выпрямителя два диода заставят положительную половину переменного тока течь вперед, а два других заставят отрицательную половину тока течь вперёд.

Результаты, если четыре диода будут обеспечивать ток, который будет течь от нуля до максимума положительного напряжения.Диоды имеют номинальное напряжение, которое нельзя превышать, в противном случае диод взорвется и не сможет выпрямить ток.

5. Добавьте сглаживания в схему — Конденсатор для электролиза

Конденсатор способен накапливать электрический заряд незадолго до того, как он снова высвобождает его с более медленной скоростью, чем при его получении. Это сгладит выходное напряжение выпрямителя, которое напоминает цепочку резких ударов.

Он превращает острые неровности в гладкую рябь, чего требует большинство электрических компонентов.Если вашим устройствам для правильной работы необходим слабый ток, вы можете добавить в схему резистор и стабилитрон.

Резистор ограничивает ток, в то время как стабилитрон открывается только при достижении определенного напряжения.

6. Пропустите выходной сигнал сглаживающего устройства через регулятор.

Регулятор устранит сглаженные волны сглаживания и превратит их в постоянный постоянный ток, который можно использовать для питания чувствительной электроники.

Большинство регуляторов могут выдавать фиксированное или переменное выходное напряжение. Вам также нужно будет прикрепить к регулятору радиатор, чтобы он не перегревался.

Вывод

Вы можете купить радиатор, трансформатор, диоды, резистор, солдатик и провода онлайн. Стоит отметить, что даже постоянный ток может вызвать смертельный удар.

Практическое правило — поддерживать на выходе постоянного тока менее 60 В постоянного тока или 2 мА постоянного тока, в зависимости от того, какое из значений напряжения или тока выше, оно не должно превышать этих значений.

Более того, эти значения являются «безопасными», поскольку кожа обладает достаточным сопротивлением, чтобы их преодолеть. Нанесение их на открытую плоть все равно приведет к смерти.

Мы надеемся, что вы нашли это руководство информативным, и вам понравится создание лучшего способа преобразования переменного тока в постоянный.

Вы также можете прочитать

В чем разница между переменным и постоянным током и как их преобразовать?

Не знаете, что такое питание переменного и постоянного тока?

В этой статье объясняются основные различия между постоянным и переменным током.Вы также узнаете, как преобразовать источник питания переменного тока в вашем доме в постоянный ток с помощью небольшой недорогой схемы мостового выпрямителя. Преобразуя переменный ток в постоянный, вы можете питать цепи постоянного тока в своих проектах DIY.

Что такое переменный ток?

Переменный ток (AC) — это тип электрического тока, который постоянно меняет свою величину и направление много раз в секунду. Поток электронов в переменном токе меняется через определенные промежутки времени.В наших домах есть источник переменного тока, потому что, в отличие от постоянного тока, переменное напряжение распространяется на большие расстояния без больших потерь мощности.

Что такое постоянный ток?

При постоянном токе электроны текут в одном направлении. Это постоянный ток, который не меняет своего направления со временем.

В чем основные различия между переменным и постоянным током?

Есть два основных отличия:

1. В постоянном токе протекание тока постоянно, тогда как в переменном токе протекание постоянно меняется.

2. При переменном токе напряжение не падает на больших расстояниях, как при постоянном токе.

Как преобразовать переменный ток в постоянный?

В зависимости от того, что вы хотите сделать с выходом, есть два разных способа преобразования переменного тока в постоянный.

Первый метод заключается в математическом преобразовании переменного тока в постоянный, зная исходное значение переменного тока.Если вы хотите использовать значение только для вычислений, вы можете преобразовать его.

Однако, если вы планируете физически преобразовывать переменный ток в постоянный для любого устройства, вы можете сделать это, сделав небольшую схему.

Давайте обсудим здесь оба пути:

1. Математическое преобразование

Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, вам нужно только знать значение переменного тока вашего источника. С помощью мультиметра можно это измерить.

1. Подключите штекеры мультиметра и установите мультиметр в режим измерения напряжения, повернув ручку на В ~ .
2. Подключите другой конец щупов к положительной и отрицательной клеммам источника питания и запишите показания дисплея.

Преобразование постоянного тока в переменный

Вот математическая формула для преобразования переменного тока в постоянный:

В _{постоянного тока} = В _{переменного тока} / √ (2)

Для простых вычислений округлите √ (2) до 1.4. Таким образом, вам не нужно использовать калькулятор для деления.

Допустим, измеренное значение было 120 В. Добавьте к формуле только что измеренное значение V _AC и вычислите его.

В _{Постоянный ток} = (120 / 1,4)

В _{Постоянный ток} = 85,71 Вольт

Вы можете использовать это значение для расчета различных параметров на основе постоянного напряжения.Теперь перейдем к созданию физической схемы.

2. Создание физической схемы

Для построения физической схемы вам понадобится следующее оборудование:

1. Понижающий трансформатор
2. Четыре диода
3. Перфорированная плита
4. Провода
5. Конденсатор
6. Мультиметр

Давайте посмотрим на функции каждого компонента в схеме.

1. Понижающий трансформатор: Используется для преобразования высоковольтной слаботочной мощности в низковольтную сильноточную мощность. Если вы хотите преобразовать переменный ток в постоянный с большей величиной, чем у источника, вы можете использовать повышающий трансформатор.
2. Диоды: Позволяет электричеству течь в одном направлении при прямом смещении и блокирует поток в другом направлении.В этой схеме построен мостовой выпрямитель с использованием четырех диодов.
3. Perfboard: Электронная плата, используемая для создания прототипов схем.
4. Провода: компонентов соединяются, а затем соединяются проводами.
5. Конденсатор: Электронный компонент накопителя заряда, который сглаживает ток, протекающий по цепи.
6. Мультиметр: Электронное устройство, используемое для измерения тока, напряжения, сопротивления и других параметров в цепи. В этом примере он используется для измерения постоянного напряжения.

Остальные компоненты подключаются напрямую в первичную цепь, но в мостовом выпрямителе диоды необходимо соединять в форме ромба.

Как сделать мостовой выпрямитель:

1. Подключите два диода в форме буквы L. Убедитесь, что их отрицательные концы подключены.

2. Таким же образом подключите два оставшихся диода. Присоединяйтесь к их позитивным результатам на этот раз.

3. Соедините два набора диодов в форме ромба, как показано ниже.

Убедитесь, что диоды подключены правильно, и ваш мостовой выпрямитель готов.

Связано: моделирование и тестирование проектов Arduino с помощью схем 123D

Создание последней цепи:

Давайте посмотрим, как использовать эти компоненты в цепи, чтобы получить выход постоянного тока от источника питания переменного тока.

1. С помощью гаек и болтов плотно прикрепите понижающий трансформатор к монтажной плате.

2. Подключите мостовой выпрямитель к цепи.

3. Черный и белый провода трансформатора должны быть подключены к источнику переменного тока. Подключите два других провода трансформатора к мостовому выпрямителю, как показано ниже.

4. Оберните провода в этих двух точках, где трансформатор подключен к выпрямителю.После этого припаяйте соединения.

5. Подключите положительный конец конденсатора к левому углу выпрямителя, а отрицательный конец к правому краю, как показано точками 3 и 4 на принципиальной схеме. Схема может работать без конденсатора, но вы должны использовать его, чтобы заблокировать изменение тока.

6. Подключите трансформатор к источнику переменного тока и включите источник переменного тока.

7. Установите мультиметр в режим измерения напряжения. Подключите две вилки к положительной и отрицательной сторонам конденсатора / мостового выпрямителя. Он покажет значение мощности постоянного тока, преобразованной из мощности переменного тока.

Меры предосторожности:

1. При пайке концов не прикасайтесь к припоям, чтобы не обжечься.

2. Только после замыкания цепи включите подачу переменного тока.

Часто задаваемые вопросы:

1. Одинаковы ли провода переменного и постоянного тока?

Конструкция провода постоянного тока довольно проста с двумя полюсами; отрицательный и положительный. Однако кабели переменного тока состоят из трехфазных четырех- или пятижильных кабелей сложной конструкции. Кроме того, кабель переменного тока может стоить дороже, чем кабель постоянного тока.

2.Могут ли приборы постоянного тока работать от переменного тока?

Нет, чтобы уберечь прибор от неисправности, всегда подавайте правильный вход.

Связанный: Лучшие комплекты электроники для детей

Преобразование переменного тока в постоянный для ваших проектов DIY

Недорогая схема мостового выпрямителя — хороший способ преобразования переменного тока в постоянный. Прямой источник переменного тока в вашем доме может использоваться для питания цепей постоянного тока, сделанных своими руками. Убедитесь, что все соединения надежны во время сборки, и, как только вы будете удовлетворены, включите цепь.Не забудьте принять необходимые меры предосторожности при замыкании цепи.

5 творческих проектов DIY для старых печатных плат

Засучите рукава, пора проявить творческий подход и приступить к практическому применению старых досок для новых целей.

Читать далее

Об авторе Шан Абдул (Опубликована 61 статья)

Шан Абдул окончил факультет машиностроения.После завершения образования он начал свою карьеру в качестве писателя-фрилансера. Он пишет об использовании различных инструментов и программного обеспечения, чтобы помочь людям быть более продуктивными в качестве студентов или профессионалов. В свободное время он любит смотреть видео на Youtube о продуктивности.

Более От Шан Абдул

Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать технические советы, обзоры, бесплатные электронные книги и эксклюзивные предложения!

Нажмите здесь, чтобы подписаться

Как преобразовать постоянный ток в переменный? — Реабилитационная робототехника.нетто

Как преобразовать постоянный ток в переменный?

Наиболее распространенный способ преобразования переменного тока в постоянный — использование одного или нескольких диодов, тех удобных электронных компонентов, которые позволяют току проходить в одном направлении, но не в другом. Хотя выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, полученный постоянный ток не является постоянным напряжением.

Как рассчитать постоянный ток в переменный?

Если вы спрашиваете, какое количество переменного тока соответствует описанному вами постоянному току, то это просто.Сила есть сила. 40 ампер умножить на 48 вольт (мы можем спокойно игнорировать отрицательный знак) равняется 1920 ваттам. Теперь разделите это на 240 В переменного тока, и вы получите 8 ампер.

Какая формула для переменного тока?

S: Цепи переменного тока (Резюме) — Physics LibreTexts…. Ключевые уравнения.

Напряжение переменного тока	v = V0sinωt
действующий ток	Irms = I0√2
индуктивное реактивное сопротивление	V0I0 = ωL = XL
Фазовый угол цепи последовательного RLC	ϕ = tan − 1XL − XCR
Вариант закона Ома для переменного тока	I0 = V0Z

Как преобразовать 220 В переменного тока в 220 В постоянного тока?

Что, возможно, можно сделать, так это использовать четыре из этих диодов для создания мостового выпрямителя.В качестве токоограничивающего устройства используйте лампу накаливания мощностью 100 Вт, подключите мост к источнику питания 220 В. Выход постоянного тока выпрямителя должен быть сконденсирован в электролитическом конденсаторе емкостью 1000 мкФ 450 В.

Что такое напряжение постоянного тока, эквивалентное напряжению переменного тока?

Математическое преобразование переменного напряжения в постоянное. Например, переменное напряжение 10 вольт (среднеквадратичное значение) будет иметь пиковое напряжение 14 вольт. Преобразуйте это пиковое напряжение переменного тока в эквивалентное напряжение постоянного тока, разделив пиковое значение переменного тока на 1,4. Пиковое напряжение переменного тока 14 вольт будет давать выпрямленное постоянное напряжение около 10 вольт.

Как преобразовать 230 В переменного тока в 230 В постоянного тока?

Как преобразовать 230 В переменного тока в 230 В постоянного тока? С мостовым выпрямителем и входным фильтром индуктивности выход будет довольно близок к 230 В постоянного тока. С конденсаторным входным фильтром постоянное напряжение будет почти равно пиковому переменному напряжению, которое составляет 325–2 = 323.

Как преобразовать 230 В в 5 В постоянного тока?

4 шага для преобразования 230 В переменного тока в 5 В постоянного тока

1. Понизьте уровень напряжения. Понижающие преобразователи используются для преобразования высокого напряжения в низкое.
2. Преобразование переменного тока в постоянный.
3. Сглаживание ряби с помощью фильтра.
4. Преобразование 12 В постоянного тока в 5 В постоянного тока с помощью регулятора напряжения.

Как получить 12 В постоянного тока от 230 В переменного тока?

Ниже приведены шаги для преобразования 230 В переменного тока в 12 В постоянного тока.

1. Трансформатор: подключите 230 В переменного тока к понижающему трансформатору от 230 до 30 В.
2. Rectify: Подключите мост, состоящий из четырех диодов.
3. Фильтр: Подключите фильтр, который отфильтровывает пульсации сигнала.
4. Регулировка: Подключите LM317 и отрегулируйте выход на 12 В.

Преобразует ли зарядное устройство переменный ток в постоянный?

Зарядное устройство — это просто специальный блок питания с ограничением тока во избежание перезарядки аккумулятора. Да, он действительно преобразует переменный ток в постоянный, поскольку батареи правильно поглощают только постоянный ток.

Можно ли установить дома быстрое зарядное устройство постоянного тока?

Это означает, что быстрые зарядные устройства постоянного тока недоступны для домашней установки. Большинство зарядных устройств уровня 3 обеспечат совместимые автомобили примерно на 80 процентов заряда за 30 минут, что делает их более подходящими для придорожных зарядных станций.

Это телевизор переменного или постоянного тока?

Батареи и электронные устройства, такие как телевизоры, компьютеры и DVD-плееры, используют электричество постоянного тока — как только переменный ток поступает в устройство, он преобразуется в постоянный. Типичная батарея обеспечивает около 1,5 вольт постоянного тока.

Что лучше AC или DC?

Переменный ток дешевле в производстве и имеет меньше потерь энергии, чем постоянный ток при передаче электроэнергии на большие расстояния. Хотя для очень больших расстояний (более 1000 км) постоянный ток часто может быть лучше.

Почему переменный ток привлекателен, а постоянный ток отталкивает?

В переменном токе из-за постоянного изменения полярности сила становится притягивающей, и нейроны передают в мозг ложную информацию. Итак, рука застревает и может получить сильный шок.

Может ли 12v AC убить вас?

Сопротивление человеческого тела составляет от 100 000 Ом (сухая кожа) до 1 000 Ом (открытая рана). В первом случае для достижения 500 мА потребуется 50 000 вольт, во втором — 500 вольт.Так что нет, 12 вольт тебя не убьют. Потому что 12 вольт не опасно, даже если аккумулятор способен на 500 000 мА!

Могут ли 9 вольт тебя убить?

9v не может создать достаточно тока, чтобы убить вас. То же самое с автомобильным аккумулятором на 12 В, он может подавать сотни ампер через провод, но его потенциала недостаточно для протекания смертельного количества тока через ваше тело.

Какое минимальное напряжение может чувствовать человек?

Человек может ощущать не менее 1 мА переменного тока при 50-60 Гц, а не менее 5 мА постоянного тока….ПОРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ.

Текущий уровень (Миллиамперы)	Вероятное воздействие на организм человека
1 мА	Уровень восприятия. Легкое покалывание. По-прежнему опасен при определенных условиях.

Денки — девушка Боруто?

Денки — мальчик в очках с темными глазами и черными волосами до подбородка, часть из которых он собирает в узел, позволяя остальным упасть ему на лицо. Он носит синий костюм с белой отделкой, синие шорты и сандалии.Он особенно мал для своего возраста, самый низкий из всех учеников Академии.

Сколько вольт нужно, чтобы прыгнуть на 1 см?

30 000 вольт

Процесс преобразования переменного тока в постоянный

Из предыдущего поста о переменном токе (AC) мы узнали, что переменный ток в форме «синусоидальной волны» — это выходной сигнал генераторов переменного тока транспортных средств и генераторов электростанций. Этот переменный ток дополнительно обрабатывается электрическими цепями или системами, чтобы его можно было использовать для питания наших ноутбуков, светодиодных устройств и гаджетов, которые в основном зависят от постоянного напряжения (постоянного тока).В этом посте будет рассказано, как происходит преобразование переменного тока в постоянный.

Технический процесс ректификации и фильтрации

Помните, что напряжение постоянного тока используется для зарядки аккумуляторов, например литий-ионных и SLI-аккумуляторов. Напряжение переменного тока должно сначала пройти на схему выпрямителя , которая состоит из диодов, расположенных в комбинации последовательно-параллельных конфигураций. Процесс, известный как полнополупериодное выпрямление , использует сложную диодную конфигурацию, известную как мостовой выпрямитель .На иллюстрации ниже вы увидите, как нижняя половина цикла «синусоидальной волны» перемещается вверх после прохождения цепи. Возникающая волна теперь называется «пульсирующим постоянным током».

Источник изображения: Википедия

Пульсирующий постоянный ток должен снова пройти в другую цепь, известную как фильтр . Как следует из названия, «импульс» в постоянном токе необходимо сглаживать или фильтровать, чтобы обеспечить стабильное или постоянное напряжение постоянного тока. Затем это постоянное напряжение будет регулироваться до определенного уровня перед подачей его на батарею SLI во время процесса зарядки.Вот как происходит преобразование переменного тока в постоянный внутри генератора.

Важность постоянного напряжения постоянного тока

Одной из важных причин, почему важно постоянное напряжение постоянного тока, является отсутствие пульсаций или нежелательных частот. Цепь постоянного тока спроектирована таким образом, чтобы процессы выпрямления и фильтрации выполнялись должным образом. Например, ноутбук нельзя зарядить должным образом, если подача постоянного напряжения непостоянна. Это может привести к повреждению ноутбука или зарядного устройства.

Адаптер переменного / постоянного тока для ноутбука

Источник изображения: Веб-сайт GME Technology

В случае с аккумулятором в вашем автомобиле постоянный постоянный ток заставит его заряжаться должным образом, что приведет к эффективному использованию электрических систем и систем освещения вашего автомобиля.

Статьи по теме:

Основные принципы переменного тока (AC)

Как работает генератор?

Что такое батарея SLI?

Напряжение в аккумуляторе

Преобразователи переменного тока в постоянный

, включая понижающий, повышающий и обратный

Для схем

часто требуется встроенный источник питания переменного тока, что является оптимальной стратегией для уменьшения размера, стоимости или в связи с потребностями конкретного приложения.Понимание ключевых концепций, связанных с преобразованием, и доступных практических альтернатив — хорошее начало на пути к успешному дизайну.

Безопасность прежде всего!
Если источником переменного тока является электрическая розетка, необходимо проявлять особую осторожность, чтобы гарантировать безопасность использования. Эта подсистема без исключения должна быть разработана и внедрена квалифицированным специалистом. Если возможно, используйте готовый комплект заглушек одобренного производителя.

Соблюдение обязательно!
Когда вы подключаете что-либо к сетевой розетке, это должно соответствовать законодательным стандартам сертификации страны, в которой будет использоваться.Более того, он должен быть протестирован и сертифицирован для этого — дорогостоящий процесс. Это необходимо для обеспечения безопасности, не мешает работе других людей и не создает шума в основных линиях электропередачи переменного тока.

Что такое преобразователь переменного тока в постоянный?
Электроэнергия передается по проводам либо в виде постоянного тока (DC), протекающего в одном направлении при неизменном постоянном напряжении , либо в виде переменного тока (AC), текущего взад и вперед из-за колеблющегося напряжения.Переменный ток является доминирующим методом передачи энергии, потому что он предлагает несколько преимуществ по сравнению с постоянным током, включая более низкие затраты на распределение и простой способ преобразования между уровнями напряжения благодаря изобретению трансформатора. Электропитание переменного тока, которое передается с высоким напряжением на большие расстояния, а затем преобразуется в более низкое напряжение, является более эффективным и безопасным источником питания в домах. В зависимости от местоположения высокое напряжение может варьироваться от 4 кВ (киловольт) до 765 кВ. Напоминаем, что напряжение в сети переменного тока в домах составляет от 110 В до 250 В, в зависимости от того, в какой части мира вы живете.В США типичная основная линия переменного тока составляет 120 В.

Преобразователи

направляют переменный ток, поскольку его напряжение также изменяется, в элементы реактивного сопротивления, такие как индукторы (L) и конденсаторы (C), где он сохраняется и интегрируется. Этот процесс разделяет силы, связанные с положительным и отрицательным потенциалами. Фильтры используются для сглаживания накопленной энергии, что приводит к созданию источника постоянного тока для других цепей. Эта схема может принимать разные формы, но всегда состоит из одних и тех же основных элементов и может иметь один или несколько этапов преобразования.Преобразователь, изображенный на рисунке 1, называется «прямым преобразователем», который имеет более высокий КПД, чем немного более простая архитектура; «обратный преобразователь». Хотя это не обсуждается подробно, обратный преобразователь отличается от прямого преобразователя тем, что его работа зависит от энергии, накопленной в воздушном зазоре трансформатора в цепи. Помимо этой разницы, они могут использовать одни и те же основные блоки.

Рисунок 1: Функциональная блок-схема источника питания переменного / постоянного тока прямого преобразователя

Блок входной фильтрации
Входной фильтр важен, поскольку он предотвращает попадание шума, производимого в переключающих элементах источника питания, обратно в сеть.Это также предотвращает попадание шума от источника питания в последующие цепи. Фильтр пропускает сетевую частоту 50/60 Гц и ослабляет высокочастотные шумы и гармоники, которые могут присутствовать. Как и в случае с другими частями преобразователя переменного тока в постоянный, реактивные элементы, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, выполняют важную роль частотно-избирательного подавления. Конденсаторы не пропускают постоянный ток и могут использоваться последовательно (в качестве элементов «фильтра верхних частот», блокирующих постоянный ток) или параллельно (для шунтирования высоких частот на землю, предотвращая их прохождение к преобразователю).

Блок входной фильтрации также обычно включает в себя резистор, зависящий от напряжения, или варистор, чтобы предотвратить повреждение источника питания высокими скачками напряжения в электросети. Это прямоугольный прямоугольник с диагональной линией, проходящей через него на входе на рис. 1. Наиболее распространенным типом варистора является металлооксидный варистор (MOV). Любое напряжение, превышающее «напряжение ограничения» устройств, приводит к тому, что MOV становится проводящим, шунтируя выброс высокого напряжения и подавляя его.

Выпрямление
Простейшие преобразователи переменного тока в постоянный состоят из трансформатора после входной фильтрации, который затем проходит на выпрямитель для выработки постоянного тока.В этом случае выпрямление происходит после трансформатора, потому что трансформаторы не пропускают постоянный ток. Однако многие преобразователи переменного тока в постоянный используют более сложную многоступенчатую топологию преобразования, как показано на рисунке 1, из-за преимуществ меньших требований к трансформатору и меньшего шума, относящегося к сетевому источнику питания.

В выпрямителях

используются полупроводниковые приборы, которые условно проводят ток только в одном направлении, например диоды. Более сложные полупроводниковые выпрямители включают тиристоры.Выпрямители с кремниевым управлением (SCR) и триод для переменного тока (TRIAC) аналогичны реле в том смысле, что небольшое напряжение может управлять потоком большего напряжения и тока. Их работа заключается в том, что они работают только тогда, когда управляющий «вентиль» запускается входным сигналом. Путем включения или выключения устройства в нужный момент по мере прохождения сигнала переменного тока — ток регулируется для создания разделения постоянного тока. Для этого существует множество схем, в которых сигналы, полученные от формы волны переменного тока, используются в качестве управляющих сигналов, которые устанавливают, что тиристоры фазовых квадрантов включены или выключены.Это коммутация , , и может быть естественным, (в случае простого диода) или принудительным, , как в случае более сложных устройств.

Источники питания с высоким КПД могут использовать активные устройства, такие как полевые МОП-транзисторы, в качестве переключателей в таких схемах. Причина использования более сложных топологий обычно заключается в повышении эффективности, снижении шума или использовании в качестве регулятора мощности. На диодах возникает собственное падение напряжения, когда они проводят.Это приводит к рассеянию мощности в них, но другие активные элементы могут иметь гораздо меньшее падение напряжения и, следовательно, меньшие потери мощности. Схемы SCR и TRIAC особенно распространены в недорогих схемах управления мощностью, таких как приведенный ниже пример регулятора освещенности, которые используются для непосредственного управления и управления током, подаваемым на нагрузку, при изменении входной сети. Обратите внимание, что эти реализации не являются гальваническими, если в них нет трансформатора в цепи — они полезны только в подходящих схемах, таких как прямое подключение к сети управления освещением.Они также используются в мощных промышленных и военных источниках питания, где важны простота и надежность

Рисунок 2: Преобразование на основе SCR

Коррекция коэффициента мощности (PFC)
Это наиболее сложный для понимания аспект преобразователя. PFC является важным элементом повышения эффективности преобразователя путем корректировки относительной фазы потребляемого тока к форме волны напряжения для поддержания оптимального коэффициента мощности. Это снижает характеристики «реактивной нагрузки», которые преобразователь может в противном случае предоставить источнику питания от сети.Это важно для поддержания высокого качества и эффективности электрических сетей, и компании, поставляющие электроэнергию, могут даже устанавливать специальные тарифы на реактивный ток для потребителей с низким коэффициентом мощности. Пассивный или активный PFC относится к тому, используются ли активные или пассивные элементы для исправления фазовых соотношений. Полупроводниковая коррекция коэффициента мощности может относиться к микросхемам специального назначения со встроенными контроллерами, предназначенными для активного мониторинга и настройки схемы коррекции коэффициента мощности, уменьшения количества компонентов и упрощения общей конструкции при достижении более высокой производительности.Они могут включать в себя другие функции, такие как защита от повышенного / пониженного напряжения, защита от перегрузки по току, плавный пуск и обнаружение / реагирование на неисправности.

Преобразователь, изображенный на рисунке 1, является одноступенчатым преобразователем PFC. Конденсатор в этой секции используется для хранения несбалансированной энергии между пульсирующей входной мощностью и относительно постоянной выходной мощностью каскада. См. Более подробную информацию в разделе «Накопление реактивной энергии». Обычно используются двухступенчатые преобразователи PFC, поскольку им не нужно обрабатывать такой широкий диапазон напряжения на накопительном конденсаторе, который есть в универсальных источниках питания, что отрицательно сказывается на эффективности преобразования.Они также могут предложить лучший компромисс в размере конденсатора, и это может помочь снизить стоимость.

Силовой каскад
Силовой каскад регулирует мощность, передаваемую от первичной обмотки ко вторичной через трансформатор. Он состоит из активного переключающего устройства, которое переключается на высокой частоте, которая может достигать сотен кГц. Состояние переключателя ВКЛ / ВЫКЛ управляется входом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который изменяется в зависимости от количества мощности, которое необходимо динамически подавать на нагрузку.Эта информация получается путем обратной связи от вторичной стороны, которая может передаваться с помощью ряда методов, которые соответствуют требованиям изоляции преобразователя. Переключение на более высокую частоту приводит к уменьшению требований к трансформатору, уменьшению размера и стоимости.

Трансформатор
Трансформатор состоит из проводов, намотанных на общий сердечник, которые соединяются друг с другом за счет электромагнитной индукции. Это важно при подключении к источникам высокого напряжения (сети) — это называется преобразованием «в автономном режиме», поскольку индуктивная связь отключает сеть от последующей цепи, что намного безопаснее, чем прямое подключение.Эта связь посредством электромагнитного поля, а не прямой медной цепи, называемая «гальванической развязкой», ограничивает максимальную энергию, которая может вызвать поражение электрическим током или опасный искровой разряд, накопленной энергией в силовых линиях магнитного поля трансформатора. Способность (связанная с размером и материалами) трансформатора накапливать энергию является важным фактором при проектировании преобразователя, поскольку она определяет, насколько хорошо трансформатор может обеспечивать энергию для поддержания желаемого потенциала напряжения при меняющихся условиях нагрузки.

Подробную информацию о теории и работе трансформатора можно найти здесь.

На рисунке 1 есть блок под названием «Mag Amp Reset», связанный с размагничиванием трансформатора из-за тока намагничивания, присущего архитектуре. Без этого остаточный материал сердечника пропитал бы его за несколько циклов ШИМ силового каскада. Хотя эта дополнительная схема слишком сложна для рассмотрения в этом руководстве, она может сбивать с толку при просмотре принципиальных схем преобразователя, и полезно знать, зачем она требуется.Существует ряд методов размагничивания, самый простой из которых — когда выключатель силового каскада выключен, ток размагничивания подается обратно через диод через отдельную вспомогательную обмотку. Эта схема ограничивает максимальный рабочий цикл ШИМ до 50%, но можно использовать более сложные методы, чтобы обеспечить более высокие рабочие циклы.

Трансформаторы или другие методы гальванической развязки (например, оптопары) часто используются для передачи информационных сигналов между первичной и вторичной сторонами. Это необходимо для облегчения более сложного управления процессом преобразования — позволяя схеме управления, расположенной на первичной стороне, реагировать на состояние нагрузки вторичной стороны и динамически изменять способ управления током, чтобы получить более низкий уровень шума и более высокую эффективность.

Выходные цепи
Как упоминалось в разделе фильтрации, электрические поля в пассивных реактивных (накопительных) элементах, таких как конденсаторы и катушки индуктивности, накапливают энергию. При использовании после выпрямления рулевого управления зарядом они действуют как резервуар энергии во время переменного входного цикла мощности. Это жизненно важный элемент преобразователя, поскольку этот накопитель энергии действует как источник, обеспечивая постоянное выходное напряжение при различных условиях нагрузки. Активные элементы воспринимают напряжение, подаваемое на нагрузку, и / или ток, протекающий в нагрузку, и в контуре управления с отрицательной обратной связью используют эту информацию для регулировки энергии , подаваемой в эти накопительные элементы, для поддержания постоянного уровня выходного напряжения.В этом процессе перекачки используются активные элементы для включения и выключения тока, протекающего в аккумулирующих элементах, что упоминается в общей концепции правила .

Регламент
Нам необходимо постоянное напряжение, подаваемое на цепь нагрузки, независимо от динамического сопротивления нагрузки. Без этого могут возникнуть условия повышенного или пониженного напряжения, что приведет к ложному поведению цепи или даже ее повреждению. Это особенно верно для цифровой электроники низкого напряжения, где напряжения питания должны быть строго ограничены в пределах нескольких процентов от номинального значения.Реактивные элементы не имеют встроенного контроля над этим. Преобразователь переменного тока в постоянный достигает строго контролируемого окна выходного напряжения путем условного управления энергией, накопленной в источнике низкоомного реактивного накопителя .

Выходное напряжение будет изменяться со временем по мере того, как эти элементы истощаются, а также может иметь отклонения, вызванные неидеальными характеристиками устройств, такими как последовательное сопротивление или паразитная емкость. Какое-то динамическое управление для перезарядки этого источника не требуется.Это называется регулированием. Нагрузки, такие как микропроцессоры, изменяют требуемую мощность при выполнении различных операций, и это усугубляет необходимость в активном динамическом регулировании.

Регулирующее управление — это цепь обратной связи, которая управляет переключающими элементами. В этом случае переключающий элемент находится на первичной стороне преобразователя. Для того, чтобы переключатель был эффективным, он должен быть либо жестко включен (возможно наименьшее сопротивление), либо жестко выключено (возможно максимальное сопротивление) — поскольку промежуточные состояния приводят к тому, что мощность, проходящая через коммутатор, рассеивается и тратится впустую.Полупроводниковые переключатели, такие как МОП-транзисторы, неидеальны и обладают некоторым импедансом, они рассеивают энергию, что снижает эффективность преобразования.

На самом деле есть только два способа управления переключателем: путем изменения рабочего цикла, когда переключатель включен или выключен, это называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) или регулированием частоты включения или выключения. Нерезонансный режим Преобразователи используют методы жесткого переключения, но преобразователи резонансного режима используют более интеллектуальный метод мягкого переключения.Мягкое переключение означает включение или выключение формы волны переменного тока в точках нулевого напряжения или нулевого тока, устранение потерь при переключении и создание архитектур с очень высокой эффективностью. Такие методы, как синхронное выпрямление, заменяют выпрямительные диоды активными переключающими элементами, такими как МОП-транзисторы. Управление переключением, синхронизированным с формой входного переменного тока, позволяет полевому МОП-транзистору работать с очень низким сопротивлением включения и меньшим падением напряжения в нужный момент, что приводит к более высокой эффективности по сравнению с диодным выпрямлением.

Как схема регулирования узнает, когда нужно переключаться? Существует два основных метода управления режимом: контроль напряжения и контроль тока. В регуляторах используется один или комбинация обоих методов для регулирования напряжения, подаваемого в цепь нагрузки.

Режим контроля напряжения

Схема регулирования определяет выходное напряжение, сравнивает его с опорным напряжением, чтобы создать функцию ошибки. Сигнал ошибки изменяет коэффициент переключения, чтобы приблизить выходной сигнал к желаемому уровню.Это самый простой способ контроля.

Режим контроля тока

Измеряются выходное напряжение и ток индуктора, а также комбинация, используемая для управления рабочим циклом. Этот внутренний «контур измерения тока» обеспечивает более быстрое время отклика на изменение нагрузки, но является более сложным, чем режим управления напряжением.

Еще больше усложняя регулирующий элемент, помимо метода управления, способ, которым преобразователь действует как цикл коммутации, называется непрерывным или прерывистым режимом работы.Непрерывный режим работы — это режим, при котором ток индуктора никогда не падает до нуля (если он есть в топологии преобразователя). Это более низкая пульсация на выходе и, следовательно, более низкий режим работы с шумом, но поскольку индуктор всегда является проводящим, он всегда рассеивает некоторую энергию в своих неидеальных последовательных потерях проводимости. В прерывистом режиме ток катушки индуктивности может достигать нуля, в результате чего нагрузка получает энергию от накопительных конденсаторов. Это режим работы с более высоким КПД, но он потенциально имеет большую пульсацию и более слабый контроль регулирования.

Типы преобразователей
Как уже говорилось вкратце, существует несколько типов преобразователей, связанных с их топологией, включая архитектуры с обратным ходом и обратноходовым способом. Это распространенные топологии, поскольку они включают трансформаторы, имеют небольшое количество компонентов и могут иметь низкую стоимость по сравнению с другими вариантами. Обратные преобразователи представляют собой повышающе-понижающие преобразователи (повышающие / понижающие) с заменой индуктора на трансформатор. Сохраненная энергия внутри трансформатора используется для коммутации вторичной обмотки через активную или пассивную схему выпрямления.Наиболее распространенный тип обратного преобразователя использует прерывистый режим (DCM), когда ток, протекающий в трансформаторе, достигает нуля, поскольку он обычно имеет самый простой контур управления и самую низкую стоимость. Обратные преобразователи в режиме непрерывного тока (CCM) требуются для более высоких уровней мощности, но приводят к более высоким потерям в обмотке трансформатора из-за непрерывной проводимости. Многие источники питания переключаются между режимами в зависимости от уровня нагрузки. Квазирезонансное (QR) и минимальное переключение / вариации переменной частоты в обратноходовой топологии представляют собой более сложные схемы, которые оптимизируют, когда и как происходит переключение, для повышения эффективности.Обратный ход QR достигает этого за счет рециркуляции энергии неидеальных индуктивностей рассеяния, а переключение впадин снижает выбросы, вызванные перерегулированием. Обычно они используются в приложениях с низким энергопотреблением.

(PDF) Преобразование переменного тока в постоянный ток с помощью диодов из одностенных углеродных нанотрубок

отрицательный компонент, который коррелирует с характеристиками выпрямления

SWCNT.

Характеристики преобразования переменного тока в постоянный для этого устройства re-

main относительно не изменились в протестированном диапазоне 1–200 Гц

共 Рис.3 兲. Однако в диапазоне частот входного переменного тока 200–

1000 Гц наблюдалось заметное падение выходного постоянного напряжения.

Поскольку исследуемые здесь входные частоты были слишком низкими для

вносят значительный вклад в любые емкостные или индуктивные эффекты,

возможно, что измененные выходы постоянного тока, возможно, являются результатом

Джоулева нагрева в переходе SWCNT18,19 Ожидается, что более высокая частота

при входном напряжении 3 В переменного тока дополнительно увеличит эффект нагрева

Дж и уменьшит период рассеивания тепла,

, что приведет к увеличению сопротивления диодного перехода и низкому выходному току на выходе

. .

В диапазоне входного напряжения 3 В полуволновое преобразование мощности

КПД 共 PCE 兲 SWCNT-диода прямо сопоставимо

с 20% –25% PCE, сообщенным дополнительным Metal Ox-

ide полупроводник 共 CMOS兲 и металлооксидные полупроводники

, полевые транзисторные диоды.20 Чтобы преодолеть эту низкую эффективность

, современные конструкции КМОП используют сложную интегральную схему

и активные элементы, чтобы минимизировать падение напряжения на кросс-диодах

, что позволяет полностью исключить падение напряжения на диодах

. волновое преобразование и уменьшить утечку подложки

для достижения эффективности более 90%.21,22

Те же самые концепции применимы к меньшему диоду SWCNT

, и в будущем могут быть разработаны конструкции для максимального увеличения PCE

с уменьшенным количеством компонентов и уменьшенным размером кристалла.

Таким образом, показано, что полуволновое преобразование мощности переменного тока в постоянное с помощью

диодов SWCNT с минимальным количеством компонентов на устройстве продемонстрировано

. Преимущество достигается за счет почти пяти порядков разницы величин

в величине тока диодов

между прямым и обратным смещениями.Минимальное количество компонентов в продемонстрированном выпрямителе

в сочетании с относительно простым процессом изготовления устройства

делает его очень привлекательной технологией для разработки преобразователей мощности переменного тока в постоянный ток

для маломощной микроэлектроники и наноэлектроники. электронные устройства.

Все перечисленные авторы в равной степени внесли свой вклад в это исследование

. Это исследование было поддержано поисковой лабораторией Re-

армии США, Director’s Research Initiatives, грант

Nos.ARL-DRI-07-WMR-10 и ARL-DRI-08-WMR-20.

П.М.А. благодарит за поддержку стартап факультета Райс, финансирование

. Мы благодарим Сару Ластелла и Сангиту Саху за помощь с ростом SWCNT

и Гэри Хирша за микрофотографии SEM

.

1Вт. Арден, П. Когез, М. Граф, Х. Ишиучи, Т. Осада, Д. Т. Мун, Дж. Ро,

М. Лян, С. К. Диас, П. Апте, Б. Деринг и П. Гаргини, The International

tional Technology Roadmap for Semiconductors 共 ITRS 兲 -2008

Обновление

共 обзор 兲, стр.9–25 共 http://www.itrs.net/Links/2008ITRS/

Home2008.html 兲.

2D. Рендусара, А. Жуан, П. Энджети и Д. А. Пейс, IEEE Trans. Инд.

Прил. 32, 1293 共 1996 兲.

3D. Алекса, А. Сырбу и А. Лазар, IEEE Trans. Ind. Electron. 53, 1612

共 2006 兲.

4Дж. Чен, К. Кунг и Ю. Хван, IET Circuits Devices Syst 3, 161

2009 兲.

5т. Ebbesen, H. Lezec, H. Hiuara, J. Bennett, H. Ghaemi, and T. Thio,

Nature 共 London 兲 382,54 共 1996 兲.

6П. Коллинз, А. Зеттл, Х. Бандо, А. Тесс и Р. Смолли, Science 278,

100–1997.

7С. Дж. Танс, А. Р. М. Вершуерен и К. Деккер, Nature 共 London 兲 393,

49 共 1998.

8р. Martel, T. Schmidt, H. Shea, T. Hertel, P. Avouris, Appl. Phys. Lett.

73, 2447 共 1998 兲.

9Z. Яо, К. Кейн, К. Деккер, Phys. Rev. Lett. 84, 2941 2000 兲.

10 т. Rueckes, K. Kim, E. Joselevich, G. Tseng, C. Cheung, and C. Lieber,

Science 289,94 共 2000 兲.

11Б. Satishkumar, P. John Thomas, A. Govindraj и C. Rao, Appl. Phys.

Lett. 77, 2530 2000 兲.

12S. Heinze, J. Tersoff, R. Martel, V. Derycke, J. Appenzeller и Ph.

Avouris, Phys. Rev. Lett. 89, 106801 共 2002 兲.

13Z. Чжун, Д. Ван, Ю. Цуй, М. В. Бократ и К. М. Либер, Science

302, 1377–2003.

14К. Дженсен, Дж. Велдон, Х. Гарсия и А. Зеттл, Nano Lett. 7, 3508 2007 兲.

15с. Ластелла, Дж. Маллик, Р.Woo, D. Rider, I. Manners, Y. Jung, C. Ryu, P.

,

Ajayan, S.P. Karna, J. Appl. Phys. 99, 024302 共 2006 兲.

16С. Lastella, Y. Joon Jung, H. Yang, R. Vajtai, P. Ajayan, C. Ryu, D. Rider,

и I. Manners, J. Mater. Chem. 14, 1791–2004 гг.

17Г. Маллик, М. Грип, С. Ластелла, С. Саху, С. Хирш, П. Аджаян и С.

Карна, Дж. Наноши. Nanotechnol. 10,1 2010 兲.

18П. Винсент, С. Перселл, К. Журне, В. Бинь, Phys. Ред. B 66, 075406

共 2002 兲.

19J. Kong, C. Zhou, A. Morpurgo, H. Soh, C. Qhate, C. Marcus, and H. Dai,

Appl. Phys. A: Матер. Sci. Процесс. 69, 305 共 1999 兲.

20С. Peters, O. Kessling, F. Henrici, M. Ortmanns и Y. Manoli, Proceed-

Международного симпозиума IEEE по схемам и системам 共 IS-

CAS 兲, 2007 共 неопубликовано 兲, стр. 2415– 2418.

21С. Peters, D. Spreemann, M. Ortmanns, Y. Manoli, J. Micromech.

Microeng. 18, 104005 共 2008 兲.

22G. Бава, М. Гованлоо, Аналог. Интегр. Circ. Sig. Процесс 60,71

共 2009 兲.

РИС. 4. Цвет 兲 однополупериодное преобразование мощности переменного и постоянного тока устройства SWCNT-FET

при 60 Гц с входами переменного тока / выходом постоянного тока при 1 В 共 зеленый сплошной / пунктирный 兲, 2 В

共 красный сплошной / пунктирный 兲, и 3 В синий сплошной / пунктирный 兲 соответственно.

233109-3 Mallick et al. Прил. Phys. Lett. 96, 233109 共 2010 兲

Загружено 09 Jun 2010 на номер 168.7.223.129. Распространение при условии лицензии AIP или авторских прав; см. http: // apl.aip.org/apl/copyright.jsp

Как переменный ток можно преобразовать в постоянный

Энергия, которую мы используем в наших жилых районах и офисных зданиях, обычно использует переменный ток (AC) из-за его эффективности. Однако могут быть случаи, когда устройство требует использования постоянного тока (DC). В таких сценариях можно преобразовать переменный ток в постоянный.

Выпрямитель — это устройство, используемое для преобразования переменного тока в постоянный.В этом устройстве установлены один или несколько диодов, позволяющих току течь в одном направлении, но не в другом. Давайте рассмотрим три примера и функцию диодов в преобразовании входного переменного напряжения в выходное постоянное напряжение.

Полупериодный выпрямитель

Полупериодный выпрямитель — это базовый выпрямитель, в котором используется только один диод. Устройство позволяет пропускать только один полупериод входного переменного напряжения и преобразовывать его в выходное напряжение постоянного тока, как показано на диаграмме ниже.

Схема однополупериодного выпрямителя

Напряжение переменного тока направляется через первичную сторону схемы, прежде чем течет во вторичную часть схемы, где расположен диод.Во время положительного полупериода диод будет смещен в прямом направлении и позволит току, протекающему через него, преобразоваться в выходное напряжение постоянного тока.

Диод будет смещен в обратном направлении в течение отрицательного полупериода переменного напряжения, и этот ток впоследствии блокируется. Этот пример показан на диаграмме выше, поскольку на выходе появляется только положительное напряжение. Хотя полуволновой выпрямитель может быть простым в настройке, он неэффективен, поскольку генерируемое выходное напряжение постоянного тока составляет примерно половину входного переменного напряжения.

Двухполупериодный выпрямитель

Для более эффективного и стабильного выхода мы можем вместо этого использовать двухполупериодный выпрямитель.

Схема двухполупериодного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель использует два диода, которые подключены к внешним клеммам. Имеется центральный отвод, который используется в качестве заземления нейтрали для выпрямленного постоянного напряжения. Подобно однополупериодному выпрямителю, входное напряжение переменного тока направляется через первичную обмотку цепи.

Во время положительного полупериода напряжения первая клемма заряжается положительно, а вторая клемма — отрицательно. В результате диод D1 будет смещен в прямом направлении, и ток будет проходить через него и преобразовываться в выходное напряжение постоянного тока. Диод D2 имеет обратное смещение и блокирует ток.

Обратное будет верно во время отрицательного полупериода переменного напряжения. Первый вывод отрицательный, а второй — наоборот. Диод D2 будет смещен в прямом направлении, а ток будет протекать через второй диод.Диод D1 имеет обратное смещение и блокирует ток. Это приводит к прохождению обоих полупериодов, поэтому генерируемое выходное напряжение постоянного тока больше, чем у полуволнового выпрямителя.

Мостовой выпрямитель

Несмотря на увеличенную мощность двухполупериодного выпрямителя, он все еще относительно неэффективен из-за наличия трансформатора с центральным ответвлением. Двухполупериодный выпрямитель способен производить только половину полного выходного напряжения трансформатора.

Мы можем исправить эту проблему с помощью мостового выпрямителя, в котором используются четыре диода, расположенные в виде ромба, как показано на схеме ниже.

Схема мостового выпрямителя

Во время положительного полупериода переменного напряжения первая клемма заряжается положительно, что приводит к смещению диодов D1 и D3 в прямом направлении. Второй вывод заряжен отрицательно, а диоды D2 и D4 будут иметь обратное смещение. Блокировка, вызванная D2 и D4, приводит к тому, что ток течет по пути, созданному D1 и D3.

Обратное происходит во время отрицательного полупериода, когда второй вывод становится положительным.Диоды D2 и D4 будут смещены в прямом направлении, чтобы позволить току проходить через них, а диоды D1 и D3 теперь работают как блокираторы.

Без трансформатора с центральным отводом выходное напряжение постоянного тока увеличивается. Мостовой выпрямитель — самый эффективный способ преобразования переменного тока в постоянный из трех показанных примеров.